ТИРИСТОРНО-КОНДЕНСАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК H02M3/142 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к тиристорным преобразователям постоянного тока с дозирующими конденсаторами в силовой цепи. Такие преобразователи нашли широкое применение в различных электротехнологических установках средней и большой (выше 100 кВт) мощности [1], в которых реализация преобразователя на транзисторах затруднительна [2].

Тиристорно-конденсаторные преобразователи постоянного тока выполняются обычно по мостовой схеме. «Классический» тиристорно-конденсаторный преобразователь постоянного тока [3] представляет собой тиристорный мост с конденсатором в диагонали переменного тока, включенный диагональю постоянного тока последовательно с нагрузкой активно-индуктивного характера. Нагрузка для улучшения формы тока обычно шунтируется обратным диодом [3], с.114, рис.5.1.

Недостатком такого преобразователя является то, что регулирование тока нагрузки возможно лишь частотно-импульсным методом в весьма ограниченном диапазоне. В частности, при малых нагрузках упомянутый преобразователь вообще неработоспособен.

Для устранения отмеченного недостатка в [2, 3] предложены тиристорно-конденсаторные преобразователи постоянного тока с дополнительным коммутатором дозирующего конденсатора [3], рис.5.2.

Дополнительный коммутатор дозирующего конденсатора позволяет осуществить регулирование тока нагрузки методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в широком диапазоне.

Тиристорно-конденсаторный преобразователь постоянного тока с дополнительным коммутатором дозирующего конденсатора [3], рис.5.2, является наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и принимается за прототип.

Упомянутый тиристорно-конденсаторный преобразователь постоянного тока содержит в силовой части тиристорный мост с дозирующим конденсатором и датчиком тока в диагонали переменного тока. Диагональю постоянного тока тиристорный мост подключен последовательно с нагрузкой активно-индуктивного характера и датчиком тока нагрузки к источнику питания. Нагрузка и датчик тока нагрузки шунтированы обратным диодом. Кроме того, силовая часть устройства содержит дополнительный коммутатор дозирующего конденсатора в составе двух дополнительных тиристоров, разрядного диода и индуктивности, причем дополнительные тиристоры подключены анодами к разным выводам диагонали переменного тока упомянутого тиристорного моста, их катоды объединены с катодом разрядного диода и одним из выводов индуктивности, анод разрядного диода связан с минусом источника питания, а второй вывод индуктивности подключен к плюсу источника питания.

Схема управления содержит генератор импульсов, распределитель этих импульсов на соответствующие тиристоры силовой части устройства, систему автоматического регулирования, замкнутую по принципу отрицательной обратной связи по току нагрузки на вход широтно-импульсного модулятора, выход которого через логическую схему, состоящую из двух логических элементов «И», связан с соответствующими тиристорами силовой части схемы, а также защиту от нарушений коммутации тиристорного моста, представляющую собой логический элемент «И», на прямой вход которого включен выход упомянутого задающего генератора импульсов, инверсный вход связан с выходом датчика тока в диагонали переменного тока тиристорного моста, а выходы подключены к входу распределителя импульсов и одному из входов широтно-импульсного модулятора.

Упрощенная схема прототипа представлена на фиг.1. Схема содержит в силовой части тиристорный мост 1-4 с последовательно соединенным дозирующим конденсатором 5 и датчиком тока 6 в диагонали переменного тока моста 1-4. Диагональю постоянного тока тиристорный мост 1-4 включен последовательно с нагрузкой 7 и датчиком тока нагрузки 8, шунтированными обратным диодом 9. Два дополнительных тиристора 10 и 11 дополнительного коммутатора анодами подключены к разным выводам диагонали переменного тока тиристорного моста 1-4, а катодами объединены между собой и общей точкой катода разрядного диода 12 и индуктивности 13. Анод разрядного диода 12 соединен с минусом источника питания U_п, а свободный вывод индуктивности 13 связан с плюсом источника питания U_п. Схема управления содержит задающий генератор импульсов 14, распределитель импульсов 15, выходы которого попарно соединены с тиристором 1 тиристорного моста 1-4 и вспомогательным тиристором 10, а также с тиристором 3 тиристорного моста 1-4 и вспомогательным тиристором 11. Кроме того, в состав схемы управления входит система автоматического регулирования 16, замкнутая по принципу отрицательной обратной связи по току нагрузки так, что выход датчика тока нагрузки 8 подключен к одном у из трех входов широтно-импульсного модулятора 17, выход которого связан с входами логической схемы в виде двух логических элементов «И» 18, 19. В свою очередь выходы логических элементов «И» 18 и 19 подключены к соответствующим управляющим входам тиристоров 2 и 4 тиристорного моста 1-4. В схему управления входит также защита от нарушений коммутации тиристорного моста 1-4, которая выполнена в виде логического элемента «И» 20, прямой вход которого соединен с выходом генератора импульсов 14, инверсный вход связан с выходом датчика тока 6 в диагонали переменного тока тиристорного моста 1-4, а выход подключен к входу распределителя импульсов 15, второму входу широтно-импульсного модулятора 17 и входам логических элементов «И» 18 и 19. Задание тока нагрузки 7 устройства осуществляется сигналом задания И_з, подключенным к третьему входу широтно-импульсного модулятора 17.

Причина, препятствующая достижению указанного ниже технического результата, заключается в том, что как в прототипе, так и в известных аналогах [1, 2] тиристорно-конденсаторных преобразователей постоянного тока с регулированием методом широтно-импульсной модуляции регулирование осуществляется с помощью дополнительного коммутатора путем частичного перезаряда дозирующего конденсатора по замкнутому L-С контуру, минуя нагрузку. Это приводит к дополнительным потерям в упомянутом L-C контуре, куда, кроме дополнительных тиристоров и индуктивности, входят также и два тиристора тиристорного моста.

Технический результат - исключение дополнительных потерь в контуре перезаряда дозирующего конденсатора.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном тиристорно-конденсаторном преобразователе постоянного тока, содержащем в силовой части тиристорный мост с дозирующим конденсатором и датчиком тока в диагонали переменного тока, включенный диагональю постоянного тока последовательно с нагрузкой активно-индуктивного характера и датчиком тока нагрузки, обратный диод, шунтирующий упомянутые нагрузку и датчик тока нагрузки, а также дополнительный коммутатор дозирующего конденсатора и схему управления в составе задающего генератора импульсов, распределителя этих импульсов на соответствующие управляющие входы тиристоров силовой части устройства, системы автоматического регулирования, замкнутой по принципу отрицательной обратной связи по току нагрузки на вход широтно-импульсного модулятора, логической схемы, состоящей из двух логических элементов «И» с прямым и инверсным входами каждый, связанных выходами с управляющими входами соответствующих тиристоров силовой части схемы, а также в составе защиты от нарушений коммутации тиристорного моста, представляющей собой логический элемент «И» с прямым и инверсным входами, на прямой вход которого включен выход упомянутого задающего генератора импульсов, инверсный вход связан с выходом датчика тока в диагонали переменного тока тиристорного моста, а выход подключен к входу распределителя импульсов, упомянутый дополнительный коммутатор дозирующего конденсатора выполнен в виде двух тиристоров, соединенных в полумост, включенный параллельно тиристорному мосту, в образованную дополнительную диагональ переменного тока включены последовательно дополнительные конденсатор и датчик тока, причем емкость дополнительного конденсатора на порядок меньше емкости дозирующего конденсатора, а в схеме управления один из входов широтно-импульсного модулятора связан непосредственно с выходом задающего генератора импульсов, инверсные входы двух логических элементов «И», образующих упомянутую логическую схему, объединены и подключены к выходу упомянутого вспомогательного датчика тока, причем выходы этих двух логических элементов «И» подключены к соответствующим управляющим входам дополнительных тиристоров, а выходы упомянутого распределителя импульсов подключены к соответствующим управляющим входам тиристорного моста. Это позволило устранить автономный контур перезаряда дозирующего конденсатора, минующий нагрузку, и, таким образом, исключить дополнительные потери при перезаряде дозирующего конденсатора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.2 представлена схема заявленного устройства, на фиг.3 - временные диаграммы.

Устройство содержит в силовой части тиристорный мост 1-4 с дозирующим конденсатором 5 и датчиком тока 6 в диагонали переменного тока, включенный диагональю постоянного тока последовательно с нагрузкой 7 активно-индуктивного характера и датчиком тока 8 нагрузки 7. Обратный диод 9 шунтирует нагрузку 7 и датчик тока 8 нагрузки 7. Два дополнительных тиристора 10 и 11 дополнительного коммутатора дозирующего конденсатора 5 соединены в полумост, включенный параллельно тиристорному мосту 1-4. В образованную дополнительную диагональ переменного тока включены последовательно дополнительные конденсатор 12 и датчик тока 13. Схема управления содержит те же элементы, что и в прототипе: задающий генератор импульсов 14, распределитель импульсов 15, систему широтно-импульсного регулирования 16, состоящую из широтно-импульсного модулятора 17 и двух логических элементов «И» 18 и 19 с прямым и инверсным входами каждый, а также защиту от нарушений коммутации тиристорного моста 1-4, выполненную на логическом элементе «И» 20. При этом один из входов широтно-импульсного модулятора 17 связан непосредственно с выходом задающего генератора импульсов 14, прямые входы логических элементов «И» 18 и 19 подключены к соответствующим выходам широтно-импульсного модулятора 17, инверсные входы логических элементов «И» 18 и 19 объединены и подключены к выходу дополнительного датчика тока 13, а выходы логических элементов «И» 18 и 19 подключены к соответствующим управляющим входам дополнительных тиристоров 10 и 11. Второй выход задающего генератора импульсов 14 подключен к прямому входу логического элемента «И» 20, к инверсному входу которого присоединен выход датчика тока 6 в диагонали переменного тока тиристорного моста 1-4. Выход логического элемента «И» 20 связан со входом распределителя импульсов 15; выходы распределителя импульсов 15 связаны с соответствующими управляющими входами тиристорного моста 1-4. Цепи гальванической развязки и формирования импульсов для простоты на фиг.2 не показаны (как и в прототипе), а система широтно-импульсного регулирования 16, включая задающий генератор импульсов 14, выполнена на типовом микроконтроллере [4].

Устройство (фиг.2) работает следующим образом.

Пусть в момент времени t=0 напряжение на дозирующем конденсаторе 5 имеет плюс на нижней обкладке, а на дополнительном конденсаторе 12 - на верхней обкладке. В этот момент (t=0) подаются с распределителя импульсов 15 отпирающие импульсы i₁ на тиристоры 1 и 2 (диаграмма 1 на фиг.3), так как на инверсном входе элемента «И» 20 есть ноль. Тиристоры 1, 2 отпираются и через дозирующий конденсатор 5, нагрузку 7 и датчик тока 8 нагрузки 7 начинает протекать ток. Если сигнал задания тока U_з близок к нулю, то при появлении даже малого тока нагрузки сигнал с датчика тока 8 нагрузки 7 сравняется с сигналом задания U_з, и импульс с задающего генератора импульсов 14 пройдет через широтно-импульсный модулятор 17 практически без сдвига по времени. Поскольку сигнал с дополнительного датчика тока 13 равен нулю и он приходит на инверсный вход двухвходового логического элемента «И» 18, на выходе логического элемента «И» 18 появится логическая единица, то есть импульс на управляющем входе дополнительного тиристора 10. Таким образом, при малых сигналах задания U_з импульсы на управляющие входы тиристоров 1, 2 и дополнительного тиристора 10 придут практически одновременно. Емкость дополнительного конденсатора 12 на порядок меньше, чем емкость дозирующего конденсатора 5, поэтому при малом токе нагрузки 7 напряжение дозирующего конденсатора 5 в процессе перезаряда близко к нулю, а напряжение на дополнительном конденсаторе 12 изменяется в соответствии с диаграммой 2 на фиг.3. По этой причине включение дополнительного тиристора 10 вызывает выключение тиристора 1, а ток нагрузки протекает по цепи плюс источника питания U_п - дополнительный тиристор 10 - датчик тока 13 - дополнительный конденсатор 12 - тиристор 2 - нагрузка 7 - датчик тока 8 - минус источника питания U_п. Ток протекает до полного перезаряда дополнительного конденсатора 12, то есть до момента времени t₁ (диаграмма 2 на фиг.3). Через интервал Δt, необходимый для восстановления запирающих свойств тиристоров, приходит очередной импульс с задающего генератора импульсов 14. Через логический элемент «И» 20 и распределитель импульсов 15 проходит очередной импульс на диагональные тиристоры 3 и 4, затем на дополнительный тиристор 11 и процесс повторяется. При этом каждая коммутация возможна лишь при отсутствии тока в диагоналях переменного тока тиристорного моста 1-4 и дополнительного моста 2, 3, 10, 11, так как только в этом случае на инверсных входах логических элементов «И» 18, 19, 20 есть «разрешающий» ноль.

Если сигнал задания U_з увеличится, увеличится соответственно сдвиг импульсов с задающего генератора импульсов 14 через широтно-импульсный модулятор 17 и логические элементы «И» 18, 19 на управляющие входы дополнительных тиристоров 10, 11, то есть между импульсами с задающего генератора импульсов 14 и импульсами i₂ с выхода широтно-импульсного модулятора 17 появится временной сдвиг Δt₂ (см. диаграммы 3, 4, 5 на фиг.3).

Дальнейшее увеличение тока нагрузки характеризуется диаграммами 6, 7, 8 на фиг.3, на которых запаздывание включения дополнительных тиристоров 10, 11 составляет Δt₃, а напряжение на дозирующем конденсаторе 5 в процессе перезаряда еще не достигает напряжения источника питания U_п (диаграмма 8 на фиг.3).

Когда ток нагрузки достигает критического значения, при котором напряжение на дозирующем конденсаторе 5 за время перезаряда становится равным напряжению U_п (диаграмма 9 на фиг.3) и, соответственно, энергия, отдаваемая в нагрузку за один цикл перезаряда, становится постоянной: , дальнейшее увеличение тока нагрузки возможно лишь при уменьшении импеданса нагрузки, как и во всех известных тиристорно-конденсаторных преобразователях с дозирующим конденсатором, включенным последовательно в цепь нагрузки. Такой режим может быть использован в электротехнологических установках, например, с переменным сопротивлением электроискрового промежутка.

Таким образом, заявленное устройство по своим функциональным возможностям идентично прототипу, однако не имеет дополнительных потерь при перезаряде конденсатора.

Источники информации

1. Лайер В.П., Мишин В.Н. Сравнение импульсных тиристорных преобразователей с последовательной емкостной коммутацией // Электротехническая промышленность. Сер. Преобразовательная техника, вып.5 (52), 1974, с.18...20.

2. Авт. свид. СССР №1064389. Импульсный преобразователь постоянного тока с последовательной конденсаторной коммутацией. Авторы О.Г.Булатов, В.Д.Поляков, А.И.Царенко. Опубл. в БИ №48, 1983.

3. О.Г.Булатов и др. Тиристорно-конденсаторные источники питания для электротехнологии. - М.: «Энергоатомиздат», 1989, рис.5.2.

4. В.А.Прянишников. Электроника, С.-Петербург, 1998, рис.33.12, 33.13 (с.376, 377).

Предложен тиристорно-конденсаторный преобразователь в виде тиристорного моста и датчика тока в диагонали переменного тока, включенный диагональю постоянного тока последовательно с нагрузкой активно-индуктивного характера. Отличительная особенность заключается в том, что параллельно тиристорному мосту подключен дополнительно тиристорный полумост, а в образовавшуюся дополнительную диагональ переменного тока включены последовательно дополнительные конденсатор и датчик тока, причем емкость дополнительного конденсатора на порядок меньше емкости основного конденсатора. Это позволяет получить технический результат - осуществить регулирование методом широтно-импульсной модуляции в широком диапазоне нагрузок и без дополнительных потерь, свойственных известным преобразователям подобного назначения. 3 ил.

Тиристорно-конденсаторный преобразователь постоянного тока, содержащий в силовой части тиристорный мост с дозирующим конденсатором и датчиком тока в диагонали переменного тока, включенный диагональю постоянного тока последовательно с нагрузкой активно-индуктивного характера и датчиком нагрузки, обратный диод, шунтирующий упомянутые нагрузку и датчик тока нагрузки, а также дополнительный коммутатор дозирующего конденсатора и схему управления в составе задающего генератора импульсов, распределителя этих импульсов на соответствующие управляющие входы тиристоров силовой части устройства, системы автоматического регулирования, замкнутой по принципу отрицательной обратной связи по току на вход широтно-импульсного модулятора логической схемы, состоящей из двух логических элементов И с прямым и инверсным входами каждый, связанных выходами с управляющими входами соответствующих тиристоров силовой части схемы, а также в составе защиты от нарушений коммутаций тиристорного моста, представляющей собой логический элемент И с прямым и инверсным входами, на прямой вход которого включен выход упомянутого задающего генератора импульсов, инверсный вход связан с выходом датчика тока в диагонали переменного тока тиристорного моста, а выход подключен к входу распределителя импульсов, отличающийся тем, что упомянутый дополнительный коммутатор дозирующего конденсатора выполнен в виде двух тиристоров, соединенных в полумост, включенный параллельно тиристорному мосту, в образованную дополнительную диагональ переменного тока включены последовательно дополнительные конденсатор и датчик тока, причем емкость дополнительного конденсатора на порядок меньше емкости дозирующего конденсатора, а в схеме управления один из входов широтно-импульсного модулятора связан непосредственно с выходом задающего генератора импульсов, инверсные входы двух логических элементов И, образующих упомянутую логическую схему, объединены и подключены к выходу упомянутого дополнительного датчика тока, причем выходы этих двух логических элементов И подключены к соответствующим управляющим входам дополнительных тиристоров, а выходы упомянутого распределителя импульсов подключены к управляющим входам тиристорного моста.