Тиристорный импульсный преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1984 года по МПК H02M7/515 

Изобретение относится к преобразо вательной электротехнике, в частност к преобразователям постоянного напря жения в постоянное или переменное с глубоким диапазоном регулирования вы ходного напряжения, которые подверже ны ударным нагрузкам по току. Эти пр образователи могут отличаться конфигурацией инверторной схемы; однофазная мостовая с подключением нагдуэки в диагональ, полумостовая с подключенйем нагрузки между средними точками источника и фазы моста, трехфазная мостовая с подключением нагрузок к средним точкам фаз моста и др. Тиристорный импульсный преобразователь может найти применение в системах электропривода, электроснабжения и электротехнологии, Известен тиристррный импульсный преобразователь, в состав которого входят два управляемых индуктивных элемента в виде насыщающихся реакторов, содержа1цих основные обмотки, включенные между источниками питания и силовыми тиристорами преобразовате ля, обмотки сброса избыточной энергии, подключенные через рекуперирующие диоды в обратном направлении к полюсам источников, обмотки подмагни чивания, включенные последовательно с дополнительным фильтровым реакторо в цепи тока подмагничивания. Два коммутирующих тиристора соединены последовательно между собой и соглас но с током нагрузки, подключены раэноименными выводами к общим точкам выводов индуктивных элементов и сило вых тиристоров. Коммутирующий конденсатор подключен между общей точкой соединения коммутирующих тиристоров и общей точкой соединения разноименных полюсов последовательно соединен ных Источников Cl. Управление насыщающимися реактора ми осуществляется путем подмагничивания постоянным током, расчитанным на максимальный ток нагрузки. При ши роком диапазоне регулирования и с ро тов мощности нагрузки потери энергии в дополнительном L-фияьтре, сгла живающем пульсации тока подмагничива ния, увеличиваются. Известен тиристорный импульсный преобразователь, в состав которого входят два управляемых индуктивных элемента, каждый в виде двух насыщаю щихся реакторов, содержащих основные Обмотки, включенные между полюсами источника питания и силовыми тиристо преобразователя, обмотки подмагничивания, включенные последовательно в цепь тока нагруэки, обмотки начального подмагничивания, включенные последовательно с дополнительным фильтровым реактором в цепи тока под магничивания, коммутирующие обмотки, включенные между полюсами дополнитель ных источников и последовательной цепью тирующих тиристоров, направление проводимости которых соглас но с направлением тока источников. Коммутируюш,ий конденсатор подключен между общей точкой соединения коммути рующих тиристоров и общей точкой соединения разноименных полюсов последовательно соединенных дополнительных источников f2Т, Энергия, запасаемая в индуктивности нагрузки, используется для перезаряда коммутирующего конденсатора и подмагничивания насыщающихся реакторов . Дополнительный фильтровый реактор в цепи тока начального подмагничивания имеет меньшую мощность потерь. Однако простое включение обмоток подмагничивания двух насыщающихся реакторов коммутирующего устройства последовательно с нагрузкой в реверсивном преобразователе постоянного напряжения невозможно, так как ток нагрузки при реверсе меняет знак, Поэтому коммутирующее устройство реверсивного преобразователя содержит два управляемых индуктивных элемента, каждый из которых содерйшт два насыщающихся реактора с обмотками управления в цепи тока нагрузки. Это усложняет конструкцию управляемого индуктивного элемента. Потери энергии при обратном перемагничивании магнитопроводоБ увеличени из-за отсутствия обмоток сброса избыточной энергии Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является тиристорный импульсный преобразователь постоянного напряжения, включающий коммутирующее устройство, содержащее два насыщакзи№1хся токоограничивающих реактора с основными обмотками, обмотксши сброса избыточной энергии и обмотками подмагничиванияf разделительный диод и коммутирующий тиристор, шунтированный LC-цепью, инэерторную схему ИЗ двух параллельных цепей в виде двух последовательно включенных силовых тиристоров, шунтированных обратными диодами, а также два выходных вывода, причем первый из них образован общей точкой соеда1нения силовкш тиристоров одной из двух указанных парал.дельных цепей инверторной схемы СЗ, Этот преобразователь обратимый, т,е, направление потока энергии в нем может изменять знак. Если нагрузка содержит противоЭДС , то ток протекает,как от источника к нагрузке, так и от нагрузки к источнику. Таким образом, если нагрузкой является якорь двигателя постоянного тока независимого возбуждения, то преобразователь обеспечивает как двигательный режим, так и режим рекуперативного тооможения.

Выходное напряжение преобразователя, возникающее на выходных выводах, образовано суммой падений напряжений на основной обмотке одного из насыЩсхющихся токоограничивающих реакторов и на силовом тиристоре, шунтированном обратным диодом. Его среднее значение регулируется от нуля до напряжения питания. Напряжение обратной полярности, приклыдваемое к нагрузке, обусловлено процессом размагничивания токоограничивающего реактора. Это напряжение не регулируется ввиду того, что соотношение витков между обмотками реактора постоянное/ и к обмотке сброса избыточной энергии на указанных интервалах времени прикладывается импульс постоянного напряжения источника питания, трансформирующийся в нагрузку.

При подключении в качестве нагрузки, например, обмотки возбуждения дви гателя постоянного тока независимого возбуждения, ток в нагрузке не может изменить знак, так как обмотка возбуждения не содержит источник противоЭДС, а выходное напряжение другой полярности нерегулируемое. Поэтому поток энергии знак направления Не изменяет, преобразователь нереверсивный. Это ограничивает диапазон регулирования выходного напряжения преобразователя. Преобразователь . нельзя применять, например, для реверсирования вращения двигателя постоянного тока.

Цель изобретения - расширение диапазона регулирования выходного напряжения тиристорного импульсного преобразователя постоянного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в тиристорном импульсном преобразователе постоянного напряжения, включающем коммутирующее устройство, содержащее два насыщающихся токоограничивающих реактора с основными обмотками, обмотками сброса избыточной энергии и обмотками подмагничивания, разделительный диод и коммутирующий тиристор, шyнтиpcfвaнный LC-цепью, инверторную схему из двух параллельных цепей, каждая в виде двух последовательно включенных силовых тиристоров, шунтированных обратными диодами, а также два выходных вывода, причем первый из них образован общей точкой соединения силовых тиристоров одной из двух указанных параллельных цепей инверторной схемы, второй выходной вывод преобразователя образован общей точкой соединения силовых тиристоров второй из двух параллельных цепей инверторной схемы,

В предлагаемом преобразователе сохраняется возможность изменения направления выходного тока при неизменном выходном напряжении, т,а, как и известный, является обратимым и применяется для режимов двигательного и рекуперативного торможения при наличии противоЭДС в нагрузке.

Кроме того, напряжение на выходе коммутирующего устройства прикладывается к нагрузке при помощи двух параллельных цепей из двух последовательно включенных тиристоров инверторной схемы, шунтированных обратными диодами, Выходное напряжение на вы0ходных выводах предлагаемого преобразователя регулируемое и может изменять полярность, т,е, предложенный преобразователь является как обратимым, так и реверсивным. Поэтому

5 его диапазон регулирования расширен, он может применяться для питания как якорной обмотки, так и обмотки возбуждения двигателя постоянного тока независимого возбуждения.

На фиг, 1 представлена принципи0альная схема тиристорного импульсного преобразователя постоянного напряжения; на фиг, 2 - временные диаграммы.

Преобразователь содержит источник

5

1питания, управляемый индуктивный элемент, включающий в себя первый насыщающийся токоограничивакидий реактор

2с основной 3, подмагничивания 4 обмотками и обмоткой 5сброса избыточ0ной энергии реактора, второй насыщающийся токоограничивающий реактор б с основной 7, подмагничивания 8 обмотками и обмоткой 9 сброса избыточной энергии реактора, рекуперирующий ди5од 10, коммутирующее звено 11, состоящее из коммутирующих тиристоров 12,

13 коммутирующего конденсатора 14 и коммутирующего реактора 15 без стали, мостовую схему соединения силовых тиристоров 16-19 с обратными дио0дами 20-23, нагрузку 24 с активной 25 и индуктивной 26 составляющими,

К положительному полюсу источника 1 питания подключено начало обмотки

3реактора 2, конец обмотки 3 соеди5нен с концом обмотки 7 реактора б,

а начало обмотки 7 подключено к общей точке соединения анодов тиристоров 12, 16 и 17 и катодов диодов 20 и 21, К катоду тиристора 12 под0ключены анод тиристора 1,3 и первый вывод конденсатора 14, второй вывод конденсатора 14 подключен к первому выводу реактора 15, а второй вывод реактора 15 совместно с катодами ти5ристоров 13, 18, 19 и анодами 10, 22, 23 подключен к отрицательному полюсу источника 1. Катод диода 10 подключен к концу обмотки 9 реактора 6, начали обмотки 9 подсоединено к началу обмотки 5 реактора 2,

0 а конец обмотки 5 подключен к положительному полюсу источника 1, К 66щей точке соединения катодов тиристора 16 и диода 22, анодов тиристора 18 и диода 20 подключен конец

5 Обмотки 8 реактора б,начало обмотки 8 соединено с концом обмотки 4 реак тора 2, а начало обмотки 4 через ин дуктивную 26 и активную 25 составляю щие нагрузки 24 подключено к общей точке соединения катодов тиристора 17, диода 23 и анодов тиристора 19, диода 21. Преобразователь работает следующим образом. При подаче напряжения питания U на схему преобразователя система управления управляющий импульс на тиристор 12. Коммутируюгций конден catop 14 заряжается от источника 1 пи±ания током, протекающим в контуре источник 1 питания - обмотка 3 - обмотка 7 - тиристор 12 - конденсатор 14 - реактор 15 - источник 1. Через половину периода колебаний в элементах 14 и 15 ток в этом контуре изменяет знак, и тиристор 12 выключает ся. В зависимости от требуемого напра ления тока в нагрузке 24 управляющие импульсы подаются дгьпее на тиристоры 16, 19 или 17, 18, С включением, например, тиристоров 16, 19 ток от источника 1.питания {фиг. 2а) протекает в контуре источник 1 питания обмотки 3, 7 - тиристор 16 - обмотки 8, 4 - нагрузка 24 - тиристор 19 источник 1 питания. Длительность про текания этого тока задается системой управления преобразователем. Исходные рабочие точки реакторов 2 и 6 устанавливаются током нагрузки 24, прЬтекгиощим по обмоткам 8 и 4, в поло ение О на веберамперных харак теристикгис (фиг. 3, 4) . В интервале tj-t (фиг. 2 д, е) ампервитки обмоток 3 и 4 направлены встречно, ампервитки обмоток 7 и 8 направлены согласно и рабочие точки реакторов 2 и 6 перемещаются в положение i (фиг. 3, 4). Ток в нагрузке 24 коммутируется следующим образом. С включением в момент t (фи1г.2б) тиристора 13 конденсатор 14 перезаряжается в контуре конденсатор 14 тиристор 13 - реактор 15 - конденсатор 14 (фиг. 2в). Через половину периода колебаний в элементах 14 и 15 ток в этом контуре изменяет знак, и тиристор 13 выключается. В. момент tj (фиг. 2г) , определяе- мый системой управления, включается тиристор 12 и начингиотся два процесса. С одной стороны, токи от конденсатора 14, проткая в контурах 1415-22-16-12-14 и 14-15-19-21-12-14, снижают ток нагрузки 24 в тиристоpax 16 и 19 до нуля. С другой Стороны, ток от источника 1, протекая через обмотки 3, 7, а далее по цепям 16-22-1 и 21-19-1, действует согласно с током нагрузки 24 в тиристорах 16 и 19 и увеличивается до значения Д i (фиг. 2а) . Чтобыограничить приращение тока от источника Л i и потери энергии в элементах коммутирующего звена 11, суммарное изменение индукции в реакторе 2 не должно превышать удвоенного значения индукции насыщения В. В интервале (фиг. 2 д, 4) рабочие точки реакторов 2 и 6 перемещаИнтервалются в положение (фиг. 2г) протекания в контурах реактор 15 - диоды 22 и 20 тиристор 12 - конденсатор 14 - реактор 15 и реактор 15 - диоды 23 и 21 тиристор 12 - конденсатор 14 - реак тор 15 токов от конденсатора 14, превьяисцощих токи в тиристорах 16 и 19, должен быть не меньше времени выключения to при ограниченном обратном напряжении на указанных тиристорах. С момента времени tg (фиг, 2 в,г) ток нагрузки 24 за счет ЭДС самоиндукции протекает в контуре нагрузка 24 - диод 21 - тиристор 12 - конденсатор 14 - реактор 15 - диод 22 обмотки 8, 4 - нагрузка 24 и заряжает конденсатор 14 до напряжения, превышающего напряжение источника 1. Когда в контуре источник 1 питания обмотки 3, 7 - тиристор 12 - конденсатор 14 - реактор 15 - источник 1 питания выполняется условие U , U + U Wj/Wy, где W , Wg - число витков обобмоток 3 и 5, напряжения, действуюидае на обмотках 3 и 7, а также 5 и 9, изменяют знак. В контуре источник 1 питания - диод 10 - обмотка 9 обмотка 5 - источник 1 питания к диоду 10 приложено прямое напряжение U jj Uj+Uj - и ,и начинает протекать ток рекуперации (фиг. 2ж). Энергия, направленная в магнитопроводах реакторов 2 и 6 в интервале t,-tg (фиг. 2а) , передается в источник 1. С задержкой времени t „в от момента tj включается один из тиристоров 16 и 19 и ток нагрузки 24 нарастает в контуре нагрузка 24 диод 21 - тиристор 16 - обмотки 8, 4нагрузка 24 либо в контуре нагрузка 24 - тиристор 19 - диод 22 - обмотки 8,4 - нагрузка 24. При этом ток в тиристоре 12, протекающий в контуре нагрузка 24 - диод 21 - тиристор 12 - конденсатор 14 - реактор 15 диод 22 - обмотки 8, 4 - нагрузка 24, спадает в момент t, изменяет знак и тиристор 12 выключается. Ампервитки подмагничивания реактора 12 выбраны КЗ условия i 24W4 124 э и рабочие точки реакторов 2 и 6 в интервале ty-tg перемещаются к положению О. В момент tg (фиг.2ж) магнитопроволзы реактора 2, 6 размагничиваются. Напряжение на обмотках 3 и 7 (фиГ; 2 Д, е), а также на обмоткак 5 и 9 падает до нуля и диод 10 запирается напряжением источника 1.

В последующий момент to, определяемый системой управления, включается один из тиристоров 19 и 16, а диод 21 или 22 запирается напряжением источника 1. Ток нагрузки 24 начинает протекать в контуре источник 1 питания -. обмотки 3, 7 - тиристор 16 - обмотки 8, 4 - нагрузка 24 - тиристор 19 - источник 1 питания и процессы в схеме повторяютс Напряжение на выходе коммутирующего устройства представлено на фиг. 2и.

Для ускорения спада тока в нагруке 24 при реверсе тиристор 16 или 19 в момент t tj + tng (фиг. 2г) повторно не включается.После отпирания рекуперирующего диода 10 ток в тиристоре 12 спадает, а ток в контуре нагрузка 24 - диод 21 - обмотки 7, 3 - источник 1 питания диод 22 - обмотки 8, 4 - нагрузка 24 нарастает. Энергия, накопленная в нагрузке, передается в источник I.

Для изменения направления тока в нагрузке 24 включаются тиристоры 17 и 18, и процессы в преобразователе протекают аналогично. Исходные положения рабочих точек реакторов 2 и 6 переходят на противоположные насыщен0ные участки веберамперных характеристик . Приращение тока от источника Д1 ограничивает реактор 6, рабочая точка которого перемещается на ненасыщенный участок характеристики.

5

Таким образом, не только выходной ток преобразователя, но и его выходное напряжение изменяют полярность. При этом напряжение регулируется от нуля до напряжения источника питания.

0

ТИРИСТОРНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, включающий коммутирующее устройство. содержащее два насыщгиощихся токоогр ничивающих реактора с основными обмотками, обмотками сброса избыточной энергии и обмотками подмагничивания, разделительный диод и коммутирующий тиристор, шунтированный LC-цепью, инверторную схему из двух параллельных цепей, каждая в виде двух последовательно включенных силовых тиристоров, шунтированных обратными диодами, а также два выходных вывода, причем первый из них образован общей точкой соединения силовых тиристоров одной из двух указанных парашлельных цепей инверторной схеки, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования S выходного напрягжения, второй выходной вывод преобразователя образован об- Q щей точкой соединения силовых тирис- - торов второй из двух параллельных це- 1мм пей инверторной схемы.