Преобразователь переменного напряжения (его варианты) Советский патент 1985 года по МПК H02M5/27 G05F1/20 

Изобретение относится н электротехнике, в частности к силовой преобразовательной технике, и может найти применение для построения регуляторов и стабилизаторов переменного напряжения, преобразователей частоты, источников реактивной мощности, агрегатов бесперебойного питания и т.д. средней и большой мощности.

.Известны трехфазные преобразователи частоты, содержащие трансформатор с одной первичной и тремя или более вторичными обмотками, одни концы первичной обмотки образуют вход, а вторичных - выходы преобразователя , другие концы первичной обмотки объединены в нулевую точку,, а вторичных подключены на входы основных трехфазных вентильных мостов, выходные выводы преобразователя подключены ко входу вспомогательного вентильного моста, выходы мостов зашунтированы соответственно основными и вспомогательными тиристорами непосредственно или через коммутирутадае дроссели, вспомогательный Тиристор связан с каждьм из основных с помощью конденсаторного или трансформаторного узлов коммутации - емкостная или индуктивная связь р и

Однако такие преобразователи характеризуются большими массой и габаритами узлов коммутации.и пониженной надежностью.

Известен также преобразователь с общим узлом коммутации, содержащий коммутирующий конденсатор и распределительные тиристоры, соединяющие его с электродами основных и вспомогаТельных тиристоров .

Однако наличие большого числа распределительных тиристоров также по) массу и габариты преобразователя .

Наиболее близким к предлагаемому {его вариантам) являетсяm-фазный преобразователь переменного напряжения , содержащей т -фазный трансформатор с двумя первичными и двумя вторичными in -фазными обмотками, объединенные разноименные концы первичных обмоток образуют вход, а вторичных выход преобразователя, другие концы первичных и вторичных обмоток под1спючены ко входам го-фазных вентильны мостов с полностью управляемыми ключами на их выходах 4.

В качестве полностью управляемых ключей могут быть использованы силовые транзисторы с формирователями управляющего сигнала или тиристоры с узлами искусственной коммутации. Количество ключей тем больше, чем выше требования к качеству выходного напряжения, что приводит к повышению массы и габаритов преобразователя и снижению его надежности.

Целью изобретения является снижение массы и габаритов преобразовател при повьш1ении его надежности.

Указанная цель достигается тем, что в преобразователе переменного напряжения (первый его вариант), содержащем m-фазный трансформатор по крайней мере с двумя первичными обмотками, одни концы которых образуют входные выводы преобразователя, а другие подключены ко входам первой группы основных т-фазных вентильных мостов, и по крайней мере две вторичные обмотки, одни концы которых образуют выходные выводы преобразователи, другие подключены ко входам другой группы основных т-фазных вентильных мостов, а также полностью управляемые ключи - основной, установленный на выходе одного из основных указанных мостов, и вспомогательный, установленный на выходе вспомогательного ГТ)-фазного вентильного моста, своим силовым входом подключенного к выходным выводам преобра-. зователя, одноименные по полярности выходные выводы одной группы основных мостов и одноименные по полярности выходные выводы другой.группы основных мостов объединены между собой а вентили всех основных мостов выполнены управляемыми.

Согласно второму варианту в преобразователе переменного напряжения, содержащемт-фазный трансформатор с одной первичной т-фазной обмоткой, подключенной к входным выводам преобразователя, и несколькими вторичными гт) -фазными обмотками, одними своими концами подключенными к выход ньпч выводам преобразователя, другими - ко входам основных п1-фазиых ёентильных мостов, а также полностью управляемою ключи - основной, :установленный на выходе одного из основных указанных мостов, и вспомогательный, установленный на выходе вспомогательного Ш-фазного вентильного моста, своим входом подключенного к выходным выводам преобразователя , одноименные по полярности выходные выводы основных и вспомогател ньк мостов объединены между собой а их вентили выполнены управляемыми. Объединение соответственно анодов и катодов, основных вентильных мостов позволяет снизить число основных полностью управляемых ключей до одного независимо от числа вентильных мостов, снизив тем самым массу и габариты преобразователя при повьшении его надёжности благодаря замене неуправляемых вентилей управляемыми, позволяю1Ц11Ми осуществлять сеточную защиту преобразователя в случае срыва коммутации. Та же цель и тем же путем достигается и в тех преобразователях переменного напряжения, которые содержат m -фазный трансформатор с одной первичной обмоткой, соединенной в звезду или в треугольник с несколькими вторичными Па-Фазными обмот ками, либо с двумя или более первичными ПП-фазными обмотками и одной вто ричной, соединенной в звезду или треугольник. Различие вариантов изобретения состоит в частоте, на которой осуществляется передача энергии через трансформатор. В преобразователях, выполненных согласно первому варианту, возможна работа трансформатора на повышенной частоте, что позволяет снизить установленную мощность транс форматора, но преобразователь при этом сложнее и имеет более низкую надежность по сравнению с преобразователем, выполненным согласно второму варианту. В последних трансформатор работает на частоте сети и имеет установленную мощность нагрузки. Поэтому в соответствии с решаемой зада чей (снижение массы и габаритов пре- 5

образователя при повьшении его надежности) предлагаемые варианты равнозначны.

Однако использование изобретения дает наибольший- положительный эффект именно в более сложной схеме, т.е. в схеме с трансформатором, имеющим большее число m-фазных вьшодов, подключенных ко входам Щ-фазных вентильных мостов.

На фнг.1 показана принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - структурная схема блока 1

импульсов, схему НЕ 21, распределитель 22 импульсов и формирователи 23-25 импульсов. Выход задающего генератора 19 подключен ко входу

модулятора 20, выход которого подключен ко входам формирователя 23 импульсов управления основным тиристором 13 непосредственно, формирователя 24 импульсов управления вспомогательным тиристором 16 через схему НЕ, а также формирователя 25 пяти импульсных последовательностей 26-30 для управления тиристорами мостов 114 управления; на фиг.3 - временные диаграммы управляюгцих импульсов и выходного напряжения фазы А; на фиг.4- принципиальные схемы регулятора переменного напряжения; на фиг.5 схема преобразователя частоты с передачей энергии на частоте сети; на фиг.6 - схема агрегата бесперебойного питания. Преобразователь частоты (фиг.1) и регулятор переменного напряжения (фиг.4) предлагаются в качестве примеров конкретного выполнения изобретения согласно первому варианту. Преобразователь частоты (фиг.1) содержит 3-фазный трансформатор с двумя первичными 1 и 2 и тремя вторичными 3-5 обмотками. Первичные обмотки 1 и 2 одними своими разноименными концами подключены к входным выводам преобразователя, а другими ко входам основных тиристорных мостов 6 и 7 соответственно. Вторичные обмотки 3-5 трансформатора одними своими концами подключены к выводам нагрузки 8, другими - ко входам основных тиристорных мостов 9-11. Аноды основных тиристорных мостов 6,7 и 9-11 через коммутирующий дроссель 12, а катоды непосредственно подключены соответственно к катоду и аноду основного тиристора 13. Вход вспомогательного диодного моста 14 подключен к выводам нагрузки 8,его выход анодом через второй коммутирующий дроссель 15, а катодом непосредственно подключен соответственно к катоду и аноду вспомогательного тиристора. Основной 13 и вспомогательный 16 тиристоры своими одноименными электродами соединены между собой через коммутирующие конденсаторы 17 и 18. Система управления преобразователя частоты (фиг.2) содержит задающий генератор 19, модулятор 20 ширины

6, 7, 9, 10 и 11 через расДтределитель 22 импульсов.

Преобразователь работает следующим образом.

Передача энергии сети в нагрузку, т.е. формирование импульса в выходном напряжении, осуществляется при втшюченных тиристорах одного из мостов 6 и 7 первичных обмоток, одного из мостов 9-11 вторичных обмоток и основного тиристора 13. Пауза в выходном напряжении формируется при включенном вспомогательном тиристоре 16, проводящем реактивный ток активно-и щуктивной нагрузки 8 через диод вспомогательного моста 14 и коммутирующий дроссель 15. Выключение основ ного 13 (вспомогательного 16) тиристора происходит при включении вспомо гательного 16 (основного 13) тиристо ра под действием приложенного к нему обратного напряжения коммутирзпощих конденсаторов, заряженных в процессе предшествующей коммутации. После выключения тиристора конденсаторы 17 н 18 перезаряжаются с изменением полярности на противоположную через вентили моста, находящегося до комму тации в проводящем состоянии.(например, мостов 6, 9). После .окончания процесса перезаряда конденсаторов 17 и 18 тиристоры мостов 6 и 9 также восстанавливают свои запирающие свойства под действием обратного напряжения перезарядившихся и готовых к .следующей коммутации конденсаторов 17 и 18. Последовательность работы вентиль ньпс мостов и тиристоров поясняется временными диаграммами на фиг.З. Последовательность 31 И1«шульсов с частотой модуляции 31 с выхода задаю щего генератора подается на модулятор 20, который формирует последовате-пьиость 32 импульсов с переменно скважностью, соответствующей скважности импульсов выходного напряжения . Регулирование скважности импуль сов позволяет регулировать действующее значение выходного напряжения Последовательность 33, задающая алго

ритмы работы основного тиристора 13 (фиг.З, Uy 13 - напряжение управления . тиристором 13), в результатеинвертирования в схеме НЕ 21 преобразуется в последовательность 34 импульсов, управляющих вспомогательным тиристором 16. Распределитель 22 импульсов формирует последовательности 29, 30

и 31-33 импульсов управления тиристорами мостов 6, 7 и 9-11 соответственно. Поочередное соединение в звезду первичных обмоток 1 и 2 тиристорами мостов 6 и 7 создает в сердечнике трансформатора модулированный магнитный поток повышенной частоты, частоты модуляции, а в результате поочередного соединения в звезду вторичных обмоток 3-5 тиристорами мостов 9-11 на нагрузке формируется импульсное напряжение , частота основной составляющей которого определяется частотами сети и

импульс напряжения с синусной огибающей, амплитуда и полярность которой зависит от соотношения и полярности включенных в звезду первичной и вторичной обмоток. При подаче управляющих импульсов на вспомогательный тиристор 16 происходит выключение основного тиристора 13 и тирисзадающего генератора, а также алгоритмом управления тиристорными мостами. Регулятор переменного напряжения (фиг.4) содержит трехфазный трансформатор с двумя первичными 1 и 2 и двумя вторичными 3 и 4 обмотками с промежуточными вьшодами (отпайками) . Одни концы первичных обмоток образуют вход, а вторичных - выход регулятора, другие концы первичных 1 и 2 и вторичных 3 и 4 обмоток и промежуточные выводы 35, 36 вторичных обмоток подключены ко входам основных тиристорных мостов, соответственно мостов 6, 7, 9-11, 37, аноды которых через коммутирующий дроссель 12, а катоды непосредственно соединены соответственно с катодами и анодами основного тиристора 13. Электроды основного тиристора 13 через коммутирзпощие конденсаторы 17 и 18 соединены с одноименными электродами вспомогательного тиристора 16, шун-i тирующего через второй коммутирующий дроссель выход вспомогательного диодного моста 14, вход которого подключен к выходным зажимам регулятора и к нагрузке 8. Регулятор работает следующим образом. При одновременной подаче управляющих импульсов на тиристоры одного из мостов 6 и 7 первичных обмоток 1 и 2 и одного из мостов 9-11, 37 вторичных обмоток 3 и 4, а также на основной тиристор 13 на нагрузке формируется торов основных мостов, как это описано для преобразователя частоты, и . в выходном напряжении формируется пауза, во время которой реактивный ток нагрузки 8 через диоды вспомогательного моста 14 и вспомогательный тиристор 16 замыкается на коммутирующий дроссель 15, При циклическом переключении первичных и вторичных обмоток на нагрузке 8 формируется кусочно-синусоидальное выходное напряжение, действующее значение и полярность которого зависит от алгоритма переключения вторичных обмоток и длительности нулевых пауз. Таким образом может быть осуществлено глубокое и узкодиапазонное регулирование выходного напряжения при передаче через трансформатор на повьшенной частоте всей мощности нагрузки г При включении нагрузки 38 между соответствующими входными и выходными зажимами возможно узкодиапазонное регулирование выходного напряжения с передачей через трансформатор на высокой частоте части энергии нагрузки, .,равной Или меньше диапазона регулирования . В качестве примеров конкретного использования изобретения согласно второму варианту предлагаются схемы преобразователя частоты с передачей энергии через трансформатор на частоте сети (фиг.5) и агрегата беспере бойного питания (фиг.6). Преобразователь частоты (фиг.5) содержит трансформатор с одной перви ной 1 и тремя вторичными 3-5 обмотками. Одни концы первичной обмотки .1 образуют вход, вторичных 3-5 - выход преобразователя, другие концы первичной обмотки соединены в звезду, вторичных - подключены ко входа тиристорных мостов 9-11, аноды которых через коммутирующий дроссель 12, а катоды непосредственно соединены соответственно с катодом и анодом основного тиристора 13. Электроды основного тиристора 13 через коммутирующие конденсаторы 17 и 18 соединены с одноименными электродами вспо могательного тиристора 16, шунтирующего через второй коммутирующий дрос сель 15 выход вспомогательного.диодного моста 14, вход которого подключен к выходным зажимам и нагрузке 8 преобразователя. Преобразователь работает аналогич но преобразователю по фиг.1. 1 1 Агрегат бесперебойного питания (фиг.6) содержит трансформатор с двумя первичными 1 и 2 и одной вторичной 3 обмоткой. Одни концы первич ных обмоток 1 и 2 подключены к двум независимым синхронным сетям, вторичной обмотки 3 - к выходным зажимам и нагрузке 8 агрегата, другие концы первичных обмоток подключены ко вхо-. дам основных Тиристорных мостов 6 и 7, вторичная обмотка 3 соединена в звезду. Аноды основных тиристорных мостов 6 и 7 через коммутирующий дроссель 12, а катоды непосредственно соединены соответственно с катодом и анодом основного тиристора 13. Электроды основного тиристора 13 через коммутирующие конденсаторы 17 и 18 соединены с одноименными электродами вспомогательного тиристора 16, шунтирующего через второй коммутирующий дроссель 15 вспомогательный диодный мост 14, вход которого подключен к выходным зажимам агре- гата. Агрегат работает следующим обра-зом. , Когда обе сети исправны, нагрузка i8 питается от сети А (Б) , тиристоры основного моста 6 (7) и основной тиристор 13 проводят ток. При нарушении или исчезновении сети А (Б) вкл№ чается вспомогательный тиристор 16 на время, необходимое для восстановления запирающих свойств основного тиристора 13 и тиристоров основного моста 6 (7), после чего включаются тиристоры основного моста 7 (6) и основной тиристор 13. После кратковременного перерыва продолжается питание от сети Б (А) без нарушения работы потребителя, Агрегат согласно фиг.6 позволяет также осуществлять широтно-импульсное регулирование (стабилизацию) переменного напряжения на нагрузке. Все предложенные схемы преобразователей переменного напряжения, построенные согласно первому и второму вариантам изобретения, имеют общий узел коммутации, что существенно снижает установленные мощности, массы и габариты преобразователей и повьш1ает их надежность за счет сокращения количества элементов искусственной коммутации (дросселей, конденсаторов и распределительных вентилей) и замены

9 1140211 ; io

неуправляемых вентилей основньк мое- вателя по цепям управлекия титон управляемыми, позволяющими осу- ристорами в случае срыва ком ществлять сеточную защиту преобразо- мутации.

1. Преобразователь переменного напряжения, содержащий m -фазный трансформатор по крайней мере с двумя первичными обмотками, одни концы которых образуют.входные выводы преобразователя, а другие подключены ко входам первой группы основных №-фазных вентильных мостов, и по крайней мере две вторичные обмотки, одни концы которых образуют выходные выводы преобразователя, а другие подключены ко входам другой группы основных щ-фазных вентильных мостов, а также полностью управляемые ключи - основной, установленный на выходе одного из основных указанных мостов, и вспомогательный, установленный на выходе вспомогательногот-фазного вентильного моста, своим силовым входом подключенного к выходным выводам преобразователя,/о тличающийс я тем, что, с целью снижения массы и габаритов при повьпиении его надежности, одноименные по полярности выходные выводы одной группы основных мостов и одноименные по полярности выходные выводы другой группы основных мостов объединены между собой, а вентили всех основных мостов выполнены управляемыми. 2, Преобразователь переменного напряжения, содержащий tn Фазный (Л трансформатор с одной первичной mфазной обмоткой, подключенной к входным выводам преобразователя, и несколькими вторичными т-тфазными обмотками, одними своими концами подключенными к выходным выводам преобразователя, другими - ко входам основных гл-фазных вентильных мостов, а 4 также полностью управляемые ключи О основной, установленный на выходе одto ного из основных указанных мостов, и вспомогательный, установленный на выходе вспомогательногоЩ-фазнего вентильного моста, своим входом подключенного к выходным выводам преобразователя, отличающийся тем, что, с целью снижения массы и габаритов преобразователя при повышении его надежности, одноименные по полярности выходные выводы основных и вспомогательньк мостов объединены между собой, а их вентили выполнены управляемыми.

, гж

A,

Э

/;

EiJ

;7

ТГ

{;J

1

1 П П П П П П n П fl П П t 26

1 П П П П П П П П П П П i 9j ПППППППППППП эд

П PL ПQ

L23

n n n n e 30

LJJ

JLJ2

nLJJ i 11 I I lyYv Ll

eJQto UJ

ir

IS

17

-ПГУЛ-, 9 ..nrrx-J

л