ДВУНАПРАВЛЕННЫЙ ПОНИЖАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ Российский патент 2012 года по МПК H02M7/25 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к области полупроводниковой преобразовательной техники (силовой электроники), и может быть использовано в качестве высоковольтного двунаправленного понижающего AC-DC конвертора в системах электрооборудования постоянного тока, например, для электровозов переменно-постоянного тока 3 кВ при питания от контактной сети с переменным напряжением 25 (15) кВ.

Известен понижающий преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение, содержащий однофазную мостовую схему на транзисторах, трансформатор и выпрямитель на его вторичной (Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Новосибирск, НГТУ, изд.4, 2009, Рис.13.3.12 на стр.593).

Однако указанный двунаправленный преобразователь имеет плохое использование транзисторов по напряжению, определяемому величиной напряжения питающей сети, а также плохие массогабаритные показатели устройства из-за наличия трансформатора.

Кроме того, известен понижающий преобразователь переменного напряжения в постоянное (В.А.Малютин, В.В.Литовченко и др. Анализ построения тягового и вспомогательного преобразовательного оборудования современного ЭПС, Электрическая тяга на рубеже веков; сб. науч. трудов под ред. А.Л.Лисицына. - М.: Интекст, 2000. - 256 с.), взятый за прототип, содержащий транзисторные коммутаторы по однофазным мостовым схемам (так называемые 4Q-S преобразователи) и накопительные конденсаторы на их выходах, причем коммутаторы по входу соединены последовательно и питаются от вторичных обмоток входного трансформатора, а по выходу коммутаторы соединены параллельно и обеспечивают на выходе нерегулируемое постоянное напряжение, которое в N раз меньше входного, где N - число последовательно включенных коммутаторов.

Однако этот двунаправленный понижающий преобразователь напряжения имеет трансформатор на частоту 50 Гц или 16 и 2/3 Гц, что приводит к повышенным массогабаритным показателям преобразователя. Кроме того, он имеет ограниченные функциональные возможности, т.к. не позволяет регулировать выходное напряжение с высокими входным коэффициентом мощности.

Задачей предлагаемого изобретения является создание двунаправленного понижающего преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение с улучшенными массогабаритными показателями и с расширенными функциональными возможностями путем регулирования выходного напряжения с высоким входным коэффициентом мощности.

Это достигается тем, что двунаправленный понижающий преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит два вида ключевых модулей: центральный модуль (ЦМ) и оконечный модуль (ОМ). Каждый центральный модуль ЦМ состоит из двух пар последовательно соединенных транзисторов (ключей), в одной паре связанных эмиттерами транзисторов, а в другой паре связанных коллекторами транзисторов, сами транзисторы при этом шунтированы встречно-параллельно включенными диодами, причем между указанными точками соединения транзисторов первой и второй пары включен транзистор со встречно-параллельным диодом, анод которого связан с точкой соединения коллекторов, а катод связан с точкой соединения эмиттеров указанных пар транзисторов. Каждый центральный модуль, похожий видом на двутавр, имеет две пары внешних зажимов, а именно между коллекторами и эмиттерами указанных двух пар последовательно соединенных транзисторов. Каждый оконечный модуль ОМ состоит только из двух аналогичных пар транзисторов, включенных как в центральном модуле и шунтированных встречно-параллельными диодами. Оконечный модуль ОМ также имеет две пары внешних зажимов, образованных аналогично, как в центральном модуле ЦМ. Двунаправленный понижающий AC-DC преобразователь образован каскадным соединением в линейку N центральных модулей ЦМ, где N - четное число, определяющее коэффициент преобразования по напряжению, при этом одна пара выходных зажимов очередного модуля соединена с соответствующей парой входных зажимов следующего модуля, а между ними подключен еще накопительный конденсатор, а к первому и последнему модулям линейки подсоединены соответствующими одноименными зажимами (коллекторными и эмиттерными) по одному оконечному модулю, сюда же подключены также и накопительные конденсаторы, вторая пара внешних зажимов каждого такого модуля связана между собой. К полученным их соединениям подключается внешний источник переменного напряжения. Выходные зажимы преобразователя (место подключения нагрузки) расположены на соединениях между центральными модулями с номерами N/2 и (N/2+1). Параллельно входу преобразователя включен фильтровой конденсатор 22, к которому подключается контактная сеть, представленная источником переменного напряжения u₁ с фильтровым реактором, моделирующей индуктивность распределенной контактной сети. Нагрузка преобразователя представлена в виде источника постоянной противоэдс (якорная цепь машины постоянного тока в случае использования преобразователя для тяги) с последовательной индуктивностью сглаживающего реактора.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого двунаправленного понижающего преобразователя переменного напряжения в постоянное для варианта с отношением величины высокого напряжения к амплитуде импульсов низкого напряжения, равным К, на фиг.2 показана эта же схема для К=6, на фиг.3 - временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие принцип работы предлагаемого двунаправленного понижающего преобразователя переменного напряжения в постоянное, выполненного по схеме фиг.2.

Предлагаемый двунаправленный понижающий преобразователь переменного напряжения в постоянное (фиг.1) содержит два вида ключевых модулей: центральный модуль (ЦМ) 1 и оконечный модуль 2 (ОМ). Каждый центральный модуль ЦМ состоит из двух пар последовательно соединенных транзисторов (ключей) 3, 4 и 5, 6, в одной паре связанных эмиттерами транзисторов 3 и 4, а в другой паре связанных коллекторами транзисторов 5 и 6, сами транзисторы 3, 4 при этом шунтированы встречно-параллельно включенными диодами 7 и 8, а транзисторы 5 и 6 при этом шунтированы встречно-параллельно включенными диодами 9 и 10, причем между указанными точками соединения транзисторов первой и второй пары включен транзистор 11 со встречно-параллельным диодом 12, анод которого связан с точкой соединения коллекторов, а катод связан с точкой соединения эмиттеров указанных пар транзисторов. Каждый центральный модуль вида двутавр, имеет две пары внешних зажимов. А именно между коллекторами и эмиттерами указанных двух пар последовательно соединенных транзисторов. Каждый оконечный модуль ОМ состоит только из двух идентичных пар транзисторов 13, 14 и 15, 16, включенных как в центральном модуле и шунтированных встречно-параллельными диодами 17, 18 и 19. 20 соответственно. Оконечный модуль ОМ также имеет две пары внешних зажимов, образованных аналогично, как в центральном модуле ЦМ.

Предлагаемый двунаправленный понижающий AC-DC преобразователь образован каскадным соединением в линейку N центральных модулей ЦМ, где N - четное число, определяющее коэффициент преобразования по напряжению, при этом одна пара выходных зажимов очередного модуля соединена с соответствующей парой входных зажимов следующего модуля и между ними подключен еще накопительный конденсатор 21, а к первому и последнему модулям линейки подсоединены соответствующими одноименными зажимами (коллекторными и эмиттерными) по одному оконечному модулю ОМ также с параллельно включенным накопительным конденсатором 21, вторая пара внешних зажимов каждого такого модуля связана между собой. К полученным их соединениям подключается внешний источник переменного напряжения. Выходные зажимы преобразователя (место подключения нагрузки с сглаживающим реактором) расположены на соединениях между центральными модулями с номерами N/2 и (N/2+1). Параллельно входу преобразователя включен фильтровой конденсатор 22, к которому подключается контактная сеть, представленная источником переменного напряжения u₁ 23 с фильтровым реактором 24, моделирующим индуктивность распределенной контактной сети. Нагрузка преобразователя представлена в виде источника постоянной противоэдс 25 (якорная цепь машины постоянного тока в случае использования преобразователя для тяги) с последовательной индуктивностью сглаживающего реактора 26.

Предлагаемый двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения для случая N - четное число (фиг.1, фиг.2) работает следующим образом. Конденсаторы 21 одинаковой емкости используются при одной полярности напряжения. Во время положительной полуволны переменного напряжения на левом зажиме входа, на интервале заряда накопительных конденсаторов все N=6 конденсаторов 21 через соответствующие открытые ключи модулей ЦМ и ОМ соединяются последовательно и подключаются к зажимам входного источника высокого напряжения u₁. Контур заряда накопительных конденсаторов включает транзистор 13 и диод 18 верхней пары ключей левого оконечного модуля ОМ, затем конденсатор 21 на выходе этого модуля, затем диод 9, диод 12 и диод 8 левого центрального модуля ЦМ, затем накопительный конденсатор 21 на выходе этого модуля, затем диод 9, диод 12 и диод 8 следующего от левого центрального модуля ЦМ, затем снова накопительный конденсатор 21, также на выходе этого модуля, затем диод 9, транзистор 6 нижней пары ключей следующего центрального модуля, расположенного слева от выходных зажимов преобразователя, затем диод 9, диод 12 и диод 8 центрального модуля, расположенного уже справа от выходных зажимов преобразователя, затем конденсатор 21 также на выходе этого центрального модуля, затем диод 9, диод 12 и диод 8 следующего центрального модуля, затем снова конденсатор 21, также как и все предыдущие в направлении сверху (плюс) вниз (минус), затем диод 9, диод 12 и диод 8 последнего справа центрального модуля ЦМ и завершается контур заряда шести последовательно включенных накопительных конденсаторов через диод 19 и транзистор 16 нижней пары ключей правого оконечного модуля ОМ, а затем другой зажим входного источника. Ток активно-индуктивной нагрузки на выходе замыкается при заряде накопительных конденсаторов через диоды 9, 12 и 7 центрального модуля, примыкающего справа к выходным зажимам преобразователя, обеспечивая нулевую паузу напряжения на нагрузке.

В силу зеркальной симметрии схемы преобразователя относительно плоскости, проходящей через сечение по выходным зажимам преобразователя, аналогичные процессы заряда всех накопительных конденсаторов схемы в той же полярности будут обеспечены при смене полярности полуволны входного переменного напряжения 23. Проводящие ключи определяются при зеркальном отражении левой половины схемы на правую половину, а правой половины схемы - на левую половину.

Формирование импульса напряжения на выходных зажимах преобразователя обеспечивается разрядом параллельно включаемых накопительных конденсаторов сначала одной половины схемы, а затем другой половины. Это достигается включением всех верхних и нижних пар ключей центральных модулей сначала одной (соответствующей) половины схемы, затем другой половины схемы.

На фиг.3 показаны временные диаграммы процессов в предлагаемом двунаправленном понижающем AC-DC преобразователе, выполненном по схеме фиг.2 для N=6.

На первой диаграмме показаны выходное напряжение u₂ и ток i₂ преобразователя, на второй диаграмме показаны исходная синусоида напряжения сети u₁ в режиме холостого хода и под нагрузкой с учетом индуктивности сети и конденсатора фильтра, необходимого на входе преобразователя для обеспечения его электромагнитной совместимости с сетью. На третьей диаграмме показано типовое напряжение на одном из накопительных конденсаторов, примыкающих к центральным модулям ЦМ, а на четвертой диаграмме показан входной ток преобразователя и ток контактной сети при наличии входного фильтрового конденсатора 22, обеспечивающего непрерывный квазисинусоидальный характер тока сети. На пятой диаграмме показаны импульсы управления соответствующими транзисторами на этапе заряда конденсаторов, эти транзисторы были перечислены выше. На шестой диаграмме показаны импульсы управления на соответствующие транзисторы на этапе параллельного разряда сначала накопительных конденсаторов одной половинки схемы (первый импульс в двойке соседних импульсов), а затем - на соответствующие транзисторы, обеспечивающие разряд накопительных конденсаторов второй половинки схемы. Изменением соотношения времен разряда конденсаторов и нулевой паузы можно регулировать среднее значение выходного напряжения, что необходимо при тяговых двигателях постоянного тока, питающихся от преобразователя.

Рекуперация электрической энергии имеет место в режиме генераторного торможения, когда ЭДС тяговой машины, подключенной последовательно со сглаживающим реактором к зажимам выходного напряжения, оказывается больше среднего значения напряжения последовательности импульсов конвертора u₂. Ток в цепи машины во время действия импульса спадает, заряжая накопительные конденсаторы 21 конвертора, включенные параллельно. Во время нулевой паузы последовательности импульсов u₂ ток машины нарастает, накапливая энергию в индуктивности сглаживающего реактора. Накопительные конденсаторы 21 при этом включаются последовательно и, имея результирующее напряжение больше напряжения контактной сети u₁ на зажимах высокого напряжения, разряжаются на сеть, возвращая в нее энергию.

Таким образом, предлагаемый двунаправленный понижающий преобразователь переменного напряжения в постоянное по сравнению с прототипом имеет лучшие массогабаритные показатели, т.к. понижение напряжения обеспечивается без использования трансформатора сетевого напряжения. Кроме того, преобразователь обеспечивает расширение функциональных возможностей путем регулирования выходного напряжения с высоким входным коэффициентом мощности.

Двунаправленный понижающий преобразователь переменного напряжения в постоянное относится к электротехнике (к силовой электронике) и может быть использован как высоковольтный AC-DC конвертор средней и большой мощности в системах электрооборудования, например, для электровозов переменного тока с напряжением контактной сети 25 кВ для создания бортовой сети электровоза с постоянным напряжением 3 кВ, которое можно стабилизировать или регулировать. Предлагаемый преобразователь переменного напряжения в постоянное с отношением величины высокого напряжения к амплитуде импульсов низкого напряжения, равным N, где N - четное число, большее двух, содержит 5·N+8 ключей, образованных встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением и диода, и N накопительных конденсаторов, используемых при одной полярности напряжения. Структура данного AC-DC преобразователя включает в себя два вида ключевых модулей ЦМ и ОМ и накопительные конденсаторы. Центральные модули ЦМ состоят каждый из двух пар последовательно соединенных ключей, между точками соединения которых включен третий ключ. Каждый из оконечных модулей ОМ состоит из четырех ключей, попарно последовательно соединенных разноименными выводами. Модули ЦМ каскадно подсоединены друг к другу, а в начале и конце этого каскада подсоединено еще по одному оконечному модулю ОМ и к середине этого каскада подключены выходные зажимы преобразователя, расположенные симметрично относительно левой и правой частей преобразователя. N конденсаторов по одному подсоединены между точками соединения соседних центральных модулей ЦМ между собой и с оконечными модулями. Вторые зажимы каждого оконечного модуля связаны между собой и два полученных зажима образуют входы преобразователя, к которым параллельно подсоединены конденсатор фильтра и источник входного переменного напряжения. Предлагаемый двунаправленный понижающий преобразователь по сравнению с прототипом обеспечивает технический результат - лучшие массогабаритные показатели, т.к. не использует трансформатор для понижения напряжения, а также имеет расширенные функциональные возможности регулировать выходное напряжение с высокими входным коэффициентом мощности. 3 ил.

Двунаправленный понижающий преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий накопительные конденсаторы и ключевые модули, каждый из которых состоит из последовательно соединенных транзисторов, шунтированных встречно-параллельными диодами, отличающийся тем, что в него введены два вида ключевых модулей - центральный модуль и оконечный модуль, при этом каждый центральный модуль состоит из двух пар последовательно соединенных транзисторов (ключей), в одной паре связанных эмиттерами транзисторов, а в другой паре связанных коллекторами транзисторов, сами транзисторы при этом шунтированы встречно-параллельно включенными диодами, причем между указанными точками соединения транзисторов первой и второй пары включен дополнительно транзистор со встречно параллельным диодом, анод которого связан с точкой соединения коллекторов, а катод связан с точкой соединения эмиттеров указанных пар транзисторов, каждый центральный модуль имеет две пары внешних зажимов, а именно между коллекторами и эмиттерами указанных двух пар последовательно соединенных транзисторов, каждый оконечный модуль состоит только из двух идентичных пар транзисторов, включенных как в центральном модуле и шунтированных встречно-параллельными диодами, при этом оконечный модуль также имеет две пары внешних зажимов, образованных аналогично, как в центральном модуле, и N центральных модулей каскадно соединены в линейку, где N - четное число, определяющее коэффициент преобразования по напряжению между входом и выходом преобразователя, при этом одна пара выходных зажимов очередного модуля соединена с соответствующей парой входных зажимов следующего модуля, и между ними подключены накопительные конденсаторы, а к первому и последнему модулям линейки подсоединены соответствующими одноименными зажимами (коллекторными и эмиттерными) по одному оконечному модулю также с параллельно включенным накопительным конденсатором на этих зажимах, вторая пара внешних зажимов каждого такого модуля связана между собой, к полученным их соединениям параллельно подключается входной фильтровой конденсатор и внешний источник переменного напряжения с последовательным фильтровым реактором, а выходные зажимы преобразователя (место подключения нагрузки с сглаживающим реактором) расположены на соединениях между центральными модулями с номерами N/2 и (N/2+1).