ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК H02M5/458 

Заявляемое техническое решение относится к электротехнике, а именно к преобразователям напряжения высоковольтной магистрали (например, напряжения 3000 В контактной сети железных дорог) в напряжение общепромышленного уровня (например, в диапазоне от 100 до 600 В) с уровнем преобразуемой мощности от единиц до сотен киловатт.

Известно устройство [1], преобразующее постоянное напряжение одного уровня в напряжение другого уровня с использованием разделительного трансформатора. Недостатком этого устройства является сравнительно низкий уровень преобразуемых напряжений.

Известен также преобразователь напряжения [2] с последовательным соединением силовых конверторно-инверторных ячеек, к выходным клеммам каждой из которых подключена первичная обмотка соответствующего трансформатора, выходных выпрямителей, к входным клеммам которых подключены вторичные обмотки упомянутых трансформаторов, соединенные параллельно.

Данное техническое решение является наиболее близким к заявляемому техническому решению по своей сущности и техническому результату.

Вышеупомянутое техническое решение [2] имеет следующие недостатки, обусловливающие низкую надежность:

1. Для защиты от перенапряжений во входной питающей сети применен ограничитель перенапряжения, который постоянно подключен параллельно входному фильтровому конденсатору и вследствие этого подвержен воздействию колебаний напряжения на фильтровом конденсаторе, вызванных как перенапряжениями и колебаниями напряжения входной питающей сети, так и резкими изменениями нагрузок преобразователя. Этот ограничитель имеет классификационное напряжение на 10% больше максимального входного рабочего напряжения преобразователя. По этой причине превышения напряжения на фильтровом конденсаторе относительно рабочего значения приводят к частым срабатываниям ограничителя перенапряжения, что вызывает нагрев и ускоренное старение его структуры, приводящее к снижению ресурса. Кроме того, возможно появление на входе преобразователя перенапряжений значительной величины, например, в 3-4 раза больше максимального входного рабочего напряжения преобразователя, как это предусмотрено, например, нормативным документом [3] (см. фиг.1). При перенапряжениях такой величины ток ограничителя перенапряжения и подключенных к нему входных цепей в сотни раз превышает рабочее значение тока, что может вызывать нежелательные динамические, термические и иные явления. При этом ограничитель перенапряжения должен быть рассчитан на однократную энергию рассеивания не менее 100 кДж, что снижает безопасность эксплуатации преобразователя, так как выход из строя такого элемента влечет за собой значительные механические повреждения. Кроме того, эксплуатация ограничителей перенапряжения в сети постоянного тока имеет свои трудности, связанные со снижением классификационного напряжения ограничителя со временем из-за разогрева структуры по причине токов утечки.

2. Отсутствие быстродействующей электронной защиты, отключающей преобразователь в течение единиц микросекунд от высоковольтной магистрали. При возникновении пробоя высоковольтных цепей преобразователя на заземленный корпус или при превышении значения входного тока по причине неисправности преобразователя, отсутствие быстродействующей защиты, отключающей преобразователь от сети, приводит к возникновению возгорании, прогаров и др. явлений, связанных с пробоем изоляции или полупроводниковых приборов, что снижает безопасность эксплуатации и значительно осложняет ремонт и обслуживание. Отключение подобных аварийных режимов электромагнитными контакторами происходит, как правило, довольно медленно (в течение десятков миллисекунд), в результате чего аварийный ток достигает опасно больших значений.

3. В техническом решении [2] ограничение тока преобразователя при подаче напряжения на его входные зажимы осуществляется только за счет L-C контура, образованного входным дросселем и конденсаторами конверторно-инверторных ячеек. Для ограничения таким способом импульса тока заряда конденсаторов на приемлемом безопасном уровне необходима индуктивность входного реактора порядка сотен милигенри, но при работе от сети переменного тока использование дросселя такой большой индуктивности невозможно без дополнительной высоковольтной коммутационной аппаратуры, снижающей надежность. При отсутствии ограничения тока появляется необходимость применения элементной базы, имеющей неоправданно большой запас по предельно допустимому рабочему току, в противном случае снижается ресурс и надежность работы конденсаторов конверторно-инверторных ячеек, диодов выпрямителей и конверторов и, как следствие, преобразователя в целом.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в повышении надежности преобразователя. При решении поставленной задачи достигаемый технический результат заключается в повышении безопасности эксплуатации преобразователя, увеличении его ресурса работы и уменьшении затрат на текущее эксплуатационное обслуживание.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в высоковольтный преобразователь напряжения, имеющий первый и второй выводы входного фильтра, второй из которых подключен ко второму входному зажиму для подключения к высоковольтному источнику входного напряжения, состоящий из входного фильтра, нескольких последовательно соединенных конверторно-инверторных ячеек, к выходным клеммам каждой из которых подключена первичная обмотка соответствующего трансформатора, выходных выпрямителей, к входным клеммам которых подключены вторичные обмотки упомянутых трансформаторов, блоков управления, введены двунаправленный полупроводниковый силовой ключ и ограничители перенапряжения конверторно-инверторных ячеек, каждый ограничитель перенапряжения конверторно-инверторной ячейки подключен к входным шинам конвертора соответствующей конверторно-инверторной ячейки, одним выводом к положительной, а другим выводом к отрицательной шине, упомянутый силовой ключ снабжен устройством управления, имеет два вывода и состоит из нескольких одинаковых последовательно подключенных двухполюсников, каждый из которых состоит из ограничителя перенапряжения двухполюсника, а также подключенных параллельно ему ячейки ключа и цепи токоограничения, причем первый и второй выводы каждого упомянутого двухполюсника образованы соответственно первым и вторым выводами ограничителя перенапряжения двухполюсника, ячейка ключа состоит из двух транзисторов и двух диодов, причем к первому выводу ограничителя перенапряжения двухполюсника подключены коллектор первого транзистора и катод первого диода, к эмиттеру первого транзистора подключены эмиттер второго транзистора, анод первого диода и анод второго диода, ко второму выводу ограничителя перенапряжения двухполюсника подключены коллектор второго транзистора и катод второго диода, число упомянутых двухполюсников определяется как частное от деления максимального значения перенапряжения на входных зажимах преобразователя, уменьшенного на величину суммы напряжений вышеупомянутых ограничителей перенапряжения конверторно-инверторных ячеек, на напряжение ограничителя перенапряжения двухполюсника, причем напряжения всех упомянутых ограничителей берутся при максимальном возможном токе размыкания упомянутого силового ключа, кроме того, максимальное рабочее напряжение конверторно-инверторных ячеек не должно превышать классификационное напряжение ограничителей перенапряжения конверторно-инверторных ячеек, первый вывод упомянутого силового ключа подключен к первому входному зажиму, второй вывод упомянутого силового ключа подключен к первому выводу входного фильтра, входное напряжение через последовательно подключенные двунаправленный полупроводниковый силовой ключ и дроссель фильтра поступает на цепь, образованную последовательно подключенными одинаковыми конверторно-инверторными ячейками, причем цепь токоограничения состоит или из резистора, ограничивающего ток заряда конденсаторов фильтра конверторно-инверторных ячеек или из двух одинаковых резисторов, а также из двух транзисторов и двух диодов, причем к первому выводу ограничителя перенапряжения двухполюсника подключен первый вывод первого резистора, а ко второму выводу резистора подключены коллектор первого транзистора и катод первого диода, к эмиттеру первого транзистора подключены эмиттер второго транзистора, анод первого диода и анод второго диода, к первому выводу второго резистора подключены коллектор второго транзистора и катод второго диода, второй вывод второго резистора подключен ко второму выводу ограничителя перенапряжения двухполюсника.

На фиг.1 представлена диаграмма зависимости величины перенапряжения, действующего на входных зажимах устройства, подключенного к контактной сети 3 кВ, от времени его действия (Кодекс Международного Союза Железных Дорог, Нормлист 550) [3].

На фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема заявляемого технического решения.

На фиг.3 представлена принципиальная электрическая схема двунаправленного полупроводникового силового ключа.

Устройство и критерии выбора типа и количества необходимых элементов заявляемого технического решения в его статическом состоянии описано по схемам (см. фиг.2 и 3).

Входное постоянное или переменное напряжение высоковольтной магистрали (см. фиг.2) через последовательно подключенные двунаправленный полупроводниковый силовой ключ 1 и дроссель 2 поступает на цепь, образованную последовательно подключенными ко входам одинаковыми конверторно-инверторными ячейками 3, число которых определяется максимальным рабочим значением входного напряжения и максимальным рабочим напряжением ячейки 3. Полупроводниковый силовой ключ 1 выполнен двунаправленным для обеспечения возможности работы устройства от источника питания переменного тока. В состав каждой ячейки 3 входит ограничитель перенапряжения 4, подключенный к положительной и отрицательной шинам конвертора, которые присоединены к входным клеммам ячейки 3 через однофазный выпрямительный мост для обеспечения возможности работы устройства от источника питания переменного тока. Выходное напряжение каждой из ячеек 3 подается на первичную обмотку одного из соответствующих одинаковых трансформаторов 5, число которых равно числу ячеек. Вторичные обмотки трансформаторов 5 подключены к входным клеммам выпрямительных диодных мостов 6, к выходным клеммам которых подключены фильтр, состоящий из индуктивного элемента 7 и емкостного элемента 8, и нагрузка (на фиг.3 не показана). Управление транзисторами силового ключа 1 и ячеек 3 осуществляется блоком управления 9 с помощью блока измерения и защиты 10, содержащего датчики входного фазного и дифференциального тока и входного напряжения преобразователя. Гальваническую развязку силовых цепей и цепей управления обеспечивает блок излучателей 11, передающий и принимающий сигналы управления по оптоволоконным каналам связи.

Схема электрическая принципиальная двунаправленного полупроводникового силового ключа 1 представлена на фиг.3. Упомянутый ключ 1 состоит из нескольких одинаковых подключенных последовательно двухполюсников 12. Каждый двухполюсник состоит из параллельно подключенных:

- ограничителя перенапряжения 13,

- ячейки ключа, включающей в себя транзисторы 14 и 15 и диоды 16 и 17, причем транзисторы 14 и 15 подключены последовательно и встречно, а диоды 16 и 17 подключены параллельно транзисторам 14 и 15 соответственно таким образом, что их проводящее направление противоположно проводящему направлению соответствующего транзистора 14 или 15,

- цепи токоограничения, выполненной по одному из двух вариантов. Первый вариант выполнения цепи токоограничения - это резистор 18, подключенный к точкам а и b двухполюсника 12 (на фиг.3 резистор и его подключение показаны штриховыми линиями). Второй вариант - это цепь, подключаемая к точкам а и b двухполюсника 12, состоящая из двух одинаковых резисторов 19 и 20, а также из двух транзисторов 21 и 22 и двух диодов 23 и 24, причем к первому выводу ограничителя перенапряжения 13 двухполюсника 12 (точка а) подключен первый вывод первого резистора 19, а к его второму выводу подключены коллектор первого транзистора 21 и катод первого диода 23, к эмиттеру первого транзистора 21 подключены эмиттер второго транзистора 22, анод первого диода 23 и анод второго диода 24, к первому выводу второго резистора 20 подключены коллектор второго транзистора 22 и катод второго диода 24, второй вывод второго резистора 20 подключен ко второму выводу ограничителя перенапряжения 13 двухполюсника 12 (точка b), для удобства управления эмиттеры транзисторов 14, 15, 21, 22 соединены в одну точку.

На фиг.3 представлены уже упомянутые на фиг.2 блок управления 9 транзисторами 14 и 15, 21 и 22, блок измерения и защиты 10 и блок излучателей 11.

Число двухполюсников 12 двунаправленного полупроводникового силового ключа 1 определяется следующим образом. Из нормативных документов, регламентирующих значения перенапряжений в питающей сети, например, [3], из характеристик аппаратов защиты от перенапряжений, подключенных в питающей сети до зажимов преобразователя или из опыта эксплуатации известно максимальное значение перенапряжения на входных зажимах преобразователя. В случае возникновения, такое перенапряжение фиксируется датчиком входного напряжения, входящим в блок измерения и защиты 10, выходной сигнал которого поступает в блок управления 9, что приводит к отключению транзисторов 14 и 15. Транзисторы 21 и 22 при этом также отключены. Напряжение (перенапряжение) на входных зажимах в таком случае прикладывается к цепи, состоящей из нескольких (N) последовательно подключенных ограничителей напряжения 13, входящих в состав двунаправленного полупроводникового силового ключа 1, дросселя 2 и нескольких (М) ограничителей перенапряжения конверторно-инверторных ячеек 3.

Ограничители перенапряжения для двунаправленного полупроводникового силового ключа и для конверторно-инверторных ячеек выбираются таким образом, чтобы уровень ограничения напряжения был ниже на ≅20% максимально допустимого напряжения защищаемого транзистора при максимально возможном токе размыкания двунаправленного полупроводникового силового ключа. При этом классификационное напряжение, соответствующее току 1 мА через ограничитель, для конверторно-инверторных ячеек должно быть на 15-20% выше, чем рабочее напряжение ячейки.

Таким образом, если принять следующие обозначения:

Us - величина перенапряжения на входных зажимах преобразователя, определяемая, как указывалось выше, из нормативных документов, регламентирующих значения перенапряжений в питающей сети (см., например, [3]), из характеристик аппаратов защиты от перенапряжений, подключенных в питающей сети до зажимов преобразователя или из опыта эксплуатации;

U₄ - уровень ограничения напряжения ограничителем перенапряжения 4 на максимально возможном токе размыкания двунаправленного полупроводникового силового ключа 1;

U_класс4 - уровень ограничения напряжения ограничителем перенапряжения 4 на токе 1 мА - классификационное напряжение ограничителя перенапряжения;

U₃ - уровень рабочего напряжения на ячейке конверторно-инверторной 3;

М - число конверторно-инверторных ячеек 3;

U₁₃ - уровень ограничения напряжения ограничителем перенапряжения 13 двухполюсника 12 на максимально возможном токе размыкания двунаправленного полупроводникового силового ключа 1;

N - число двухполюсников 12 двунаправленного полупроводникового силового ключа 1;

то справедливы выражения:

откуда при выбранных значениях Us, U₄, М и U₁₃ и определяется необходимое число N двухполюсников 12 силового полупроводникового ключа 1.

При вышеуказанном исполнении заявляемого устройства обеспечивается согласование работы преобразователя напряжения с особенностями высоковольтной магистрали, а именно:

1) обеспечение защиты преобразователя от перенапряжений, возникающих в высоковольтной магистрали;

2) обеспечение быстродействующего - порядка 2...3 мкс - отключения преобразователя при возникновении аварийных ситуаций, обусловленных внешними или внутренними причинами;

3) обеспечение ограничения входного тока преобразователя при подаче скачком напряжения на его входные клеммы.

Заявляемое техническое решение обладает следующими признаками (см. фиг.2, 3):

1) При включенных транзисторах 14 и 15 двунаправленный полупроводниковый силовой ключ 1 находится в проводящем состоянии и не оказывает влияния на работу преобразователя.

2) В случае возникновения перенапряжения в высоковольтной магистрали транзисторы 14 и 15 двунаправленного полупроводникового силового ключа 1 выключаются по сигналу из блока управления 9 или по сигналу из собственного блока управления (на фиг.2 и 3 не показан). При этом перенапряжение сети прикладывается к цепи последовательно соединенных ограничителей перенапряжения 13, установленных в двунаправленном полупроводниковом силовом ключе 1 и ограничителей перенапряжения 4, установленных в конверторно-инверторных ячейках 3. Быстродействие отключения составляет 2..3 мкс.

Отличительным от [2] признаком такого технического решения является то, что ток ограничителей перенапряжения 4 и 13 не превышает рабочего тока преобразователя и, как следствие, энергия, однократно выделяющаяся в упомянутых ограничителях перенапряжения, не превышает десятков джоулей на один упомянутый ограничитель перенапряжения, что значительно снижает вероятность их физического разрушения, вызванного тепловым воздействием выделенной энергии, а следовательно, повышает уровень надежности и безопасности эксплуатации преобразователя, увеличивает ресурс его работы.

3) В случае превышения входным током преобразователя определенной уставки тока, что может быть, например, вызвано неисправностью в схеме преобразователя, а также в случае появления дифференциального тока во входных клеммах, например, в случае пробоя высоковольтных цепей преобразователя на заземленный корпус, транзисторы 14 и 15 двунаправленного полупроводникового силового ключа 1 выключаются по сигналу из блока управления 9 или по сигналу из собственного блока управления (на фиг.2 и 3 не показан).

Отличительным от [2] признаком такого технического решения является то, что в аварийных режимах преобразователь отключается от высоковольтной магистрали, причем с быстродействием 2...3 мкс. При этом исключается возможность протекания разрушительных термических процессов в схеме преобразователя, имеющих подпитку от высоковольтной магистрали, в том числе и дугового горения в месте пробоя изоляции, что повышает уровень надежности и безопасности эксплуатации преобразователя, уменьшает затраты на текущее эксплуатационное обслуживание.

4) В случае отсутствия на входных клеммах преобразователя высокого напряжения транзисторы 14 и 15 двунаправленного полупроводникового силового ключа 1 выключены и преобразователь напряжения отключен от высоковольтной магистрали. При подаче скачком на входные клеммы высокого напряжения включаются транзисторы 21 и 22 двунаправленного полупроводникового силового ключа 1 и происходит процесс заряда конденсаторов конверторно-инверторных ячеек 3 током, ограниченным резисторами 19 и 20. По окончании процесса заряда конденсаторов включаются транзисторы 14 и 15 и преобразователь оказывается подключенным к высоковольтной магистрали (см. признак 1).

Отличительным от [2] признаком такого технического решения является то, что при подаче на вход преобразователя скачком высокого напряжения ток заряда конденсаторов конверторно-инверторных ячеек 3 может быть ограничен на любом удобном уровне. Это позволяет избежать бросков токов, превышающих номинальный рабочий уровень в несколько раз, и увеличить ресурс работы преобразователя.

Работа заявляемого устройства может быть описана на примере преобразователя с номинальным входным напряжением 3000 В переменного или постоянного тока (минимальное рабочее напряжение равно 2200 В, максимальное рабочее напряжение равно 5100 В - амплитудное значение напряжения при питании от сети переменного тока 3600 В), мощностью 35 кВт.

Основным принципом, положенным в основу работы преобразователя, является формирование мгновенного значения входного тока исходя из величины потребляемой мощности нагрузки и значения входного напряжения. При этом при питании от сети переменного тока, входное напряжение оценивается не только по амплитуде, но и по форме, т.е. форма уставки тока повторяет форму входного напряжения. Таким образом, при корректной отработке уставки входного тока преобразователь представляет собой для питающей сети активное сопротивление.

Входное напряжение 3000 В через входной транзисторный ключ 1 и входной дроссель 2 поступает на вход конверторно-инверторного блока. Этот блок содержит М=7 последовательно соединенных по входу ячеек 3. Каждая конверторно-инверторная ячейка 3 имеет рабочее напряжение ≅740 В и мощность ≅5,5 кВт. Управление на ячейки 3 подается с блока управления 9 через оптоволоконные каналы связи при помощи блока излучателей 11. Таким же образом возвращаются сигналы готовности и исправности ячеек 3. Конверторы ячеек 3 работают с частотой 4,071 кГц со сдвигом фазы относительно друг друга на 360/7 эл.град. Результирующая частота конверторного блока ячеек 3 соответственно составляет 28,5 кГц. Конверторы формируют близкий к синусоиде трапециевидный потребляемый ток и стабилизируют напряжение промежуточного звена постоянного напряжения на уровне 740 В на каждой из ячеек. Для обеспечения возможности работы преобразователя от питающей сети переменного тока каждая конверторно-инверторная ячейка 3 снабжена входным выпрямителем (однофазный мост), а входной транзисторный ключ 1 выполнен двунаправленным.

Инверторы ячеек 3 работают на частоте 14,25 кГц. Инвертированное напряжение поступает на первичные обмотки трансформаторов 5. Со вторичных обмоток трансформаторов через соответствующие выпрямители реализованы два выхода постоянного тока 110 и 550 В. При этом вторичные обмотки трансформаторов выхода 550 В включены последовательно и затем подключены к выпрямителю, а вторичные обмотки трансформаторов выхода 110 В подключены к отдельным выпрямителям, которые соединены параллельно. Стабилизация выходных напряжений преобразователя осуществляется с обратной связью по напряжению выхода 550 В.

Преобразователь имеет защиты:

- от выхода входного напряжения за допустимые пределы,

- от внутренних коротких замыканий,

- от перегрузки каждого из выходов,

- от перенапряжений во входной цепи,

- от перегрева элементов.

Выбор типа и количества ограничителей перенапряжения для двунаправленного полупроводникового силового ключа и ячеек конверторно-инверторных по формулам [1], [2]:

Us=14000 В;

U₄=1000 B; U_клacc4=850 B

U₃=740 В;

М=7;

U₁₃=1000 B (тип ограничителей в данном частном случае выбран одинаковый, так как был выбран одинаковым класс по напряжению транзисторов ячеек конверторно-инверторных и транзисторов ключа - 12 класс);

по результатам расчета: N=7.

Функции заявляемого устройства, соответствующие отличительным признакам формулы изобретения, реализуются в вышеописанном преобразователе следующим образом.

1) Для обеспечения запуска преобразователя (включения в работу) с ограничением входного тока (тока заряда конденсаторов конверторно-инверторных ячеек 3) используется цепь токоограничения, состоящая из резисторов 18 (вариант 1) или из двух одинаковых резисторов 19 и 20, а также из двух транзисторов 21 и 22 и двух диодов 23 и 24 (вариант 2). По окончании заряда конденсаторов фильтра транзисторы 21 и 22 отключаются, а цепь ограничения шунтируется открытыми транзисторами 14 и 15 силового ключа 1.

2) Двунаправленный полупроводниковый силовой ключ 1 является высоковольтным силовым быстродействующим (единицы микросекунд) автоматом, позволяющим оперативное включение и отключение преобразователя оператором или блоком управления преобразователя. В аварийных режимах полупроводниковый силовой ключ 1 в течение 2...3 микросекунд размыкает силовую цепь по команде блока управления 9, получающего сигналы от блока измерения и защиты 10, содержащего датчики входного тока и входного напряжения преобразователя в следующих случаях:

- в случае возникновения неисправности преобразователя, не связанной с параметрами входной высоковольтной магистрали,

- при значении входного тока, превышающем заданное максимальное значение (перегрузка, неисправность преобразователя),

- при появлении дифференциального тока на зажимах преобразователя (внутренние короткие замыкания цепей высокого напряжения на заземленный корпус, повышенные значения токов утечки вследствие нарушения изоляции),

- при понижении входного напряжения ниже минимально допустимого уровня,

- при повышении входного напряжения выше максимально допустимого уровня, в том числе при перенапряжениях.

3) В последнем случае при возникновении перенапряжений в высоковольтной магистрали, питающей преобразователь, срабатывает защита по превышению уровня входного напряжения и сигнал из блока управления 9 через блок излучателей 11 по оптоволоконным каналам связи выдает сигнал на размыкание транзисторов 14 и 15. При этом в случае, если уровень перенапряжения ниже расчетного (например, ниже 14000 В), энергия, выделяющаяся в ограничителях перенапряжения 4 и 13, не превышает единиц джоулей на один из упомянутых ограничителей перенапряжения и определяется в основном энергией, накопленной в дросселе 2. Если уровень перенапряжения равен или выше расчетного (например, выше 14000 В), то энергия, выделившаяся в каждом из упомянутых ограничителей перенапряжения, будет порядка десятков джоулей.

В случае если цепь ограничения тока в двунаправленном силовом полупроводниковом ключе 1 выполнена по варианту 2 (резисторы 19, 20, транзисторы 21, 22, диоды 23, 24), то после срабатывания защиты и размыкания силового полупроводникового ключа 1 преобразователь полностью отключен от высоковольтной магистрали с точностью до токов утечки транзисторов силового полупроводникового ключа 1. Если цепь ограничения тока в двунаправленном силовом ключе 1 выполнена по варианту 1, то после срабатывания защиты и размыкания ключа ток, протекающий из высоковольтной магистрали в преобразователь, ограничен резисторами 18 (на уровне десятков миллиампер).

Источники информации

1. А.с. №1707713, Н 02 М 3/335, Н 02 Н 7/17. Преобразователь напряжения.

2. Заявка ФРГ: DE 19547064, Н 02 М 3/28, 18.12.95, Verfahren zur Hochspannungs-Umformung durch Kaskadierung

3. Кодекс Международного Союза Железных Дорог, Нормлист 550, 9-е издание от 01.01.1995 г., Устройства электроснабжения железнодорожных вагонов для пассажирских поездов. (Таблица 7.1. Пики напряжения. Предельные значения для 3000 В постоянного тока.).

Заявляемое техническое решение относится к преобразователям напряжения (ПН) высоковольтной магистрали (например, 3000 В) в напряжение общепромышленного уровня при мощности до сотен киловатт. Технический результат - повышение надежности преобразователя. Достижение цели обеспечивается тем, что в ПН, состоящий из соединенных последовательно конверторно-инверторных ячеек, к выходам каждой из которых подключена первичная обмотка соответствующего трансформатора, выходных выпрямителей, подключенных к вторичным обмоткам упомянутых трансформаторов, введены двунаправленный полупроводниковый силовой ключ и ограничители перенапряжения конверторно-инверторных ячеек. Данное техническое решение обеспечивает технический результат: 1) защиту преобразователя от перенапряжений, возникающих в высоковольтной магистрали; 2) быстродействующее - порядка 2...3 мкс - отключение преобразователя при возникновении аварийных ситуаций, обусловленных внешними или внутренними причинами; 3) ограничение входного тока преобразователя при подаче скачком напряжения на его входные клеммы. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Высоковольтный преобразователь напряжения, имеющий первый и второй выводы входного фильтра, второй из которых подключен ко второму входному зажиму для подключения к высоковольтному источнику входного напряжения, состоящий из входного фильтра, нескольких последовательно соединенных конверторно-инверторных ячеек, к выходным клеммам каждой из которых подключена первичная обмотка соответствующего трансформатора, выходных выпрямителей, к входным клеммам которых подключены вторичные обмотки упомянутых трансформаторов, блоков управления, отличающийся тем, что в него введены двунаправленный полупроводниковый силовой ключ и ограничители перенапряжения конверторно-инверторных ячеек, каждый ограничитель перенапряжения конверторно-инверторной ячейки подключен к входным шинам конвертора соответствующей конверторно-инверторной ячейки, одним выводом к положительной, а другим выводом к отрицательной шине, упомянутый силовой ключ снабжен устройством управления, имеет два вывода и состоит из нескольких одинаковых последовательно подключенных двухполюсников, каждый из которых состоит из ограничителя перенапряжения двухполюсника, а также подключенных параллельно ему ячейки ключа и цепи токоограничения, причем первый и второй выводы каждого упомянутого двухполюсника образованы соответственно первым и вторым выводами ограничителя перенапряжения двухполюсника, ячейка ключа состоит из двух транзисторов и двух диодов, причем к первому выводу ограничителя перенапряжения двухполюсника подключены коллектор первого транзистора и катод первого диода, к эмиттеру первого транзистора подключены эмиттер второго транзистора, анод первого диода и анод второго диода, ко второму выводу ограничителя перенапряжения двухполюсника подключены коллектор второго транзистора и катод второго диода, число упомянутых двухполюсников определяется как частное от деления максимального значения перенапряжения на входных зажимах преобразователя, уменьшенного на величину суммы напряжений вышеупомянутых ограничителей перенапряжения конверторно-инверторных ячеек, на напряжение ограничителя перенапряжения двухполюсника, причем напряжения всех упомянутых ограничителей берутся при максимальном возможном токе размыкания упомянутого силового ключа, кроме того, максимальное рабочее напряжение конверторно-инверторных ячеек не должно превышать классификационное напряжение ограничителей перенапряжения конверторно-инверторных ячеек, первый вывод упомянутого силового ключа подключен к первому входному зажиму, второй вывод упомянутого силового ключа подключен к первому выводу входного фильтра, входное напряжение через последовательно подключенные двунаправленный полупроводниковый силовой ключ и дроссель фильтра поступает на цепь, образованную последовательно подключенными одинаковыми конверторно-инверторными ячейками.2. Высоковольтный преобразователь напряжения по п.1, отличающийся тем, что цепь токоограничения состоит из двух одинаковых резисторов, а также из двух транзисторов и двух диодов, причем к первому выводу ограничителя перенапряжения двухполюсника подключен первый вывод первого резистора, а ко второму выводу резистора подключены коллектор первого транзистора и катод первого диода, к эмиттеру первого транзистора подключены эмиттер второго транзистора, анод первого диода и анод второго диода, к первому выводу второго резистора подключены коллектор второго транзистора и катод второго диода, второй вывод второго резистора подключен ко второму выводу ограничителя перенапряжения двухполюсника.3. Высоковольтный преобразователь напряжения по п.1, отличающийся тем, что цепь токоограничения состоит из резистора, ограничивающего ток заряда конденсаторов фильтра конверторно-инверторных ячеек.