Преобразователь переменного напряжения в постоянное Советский патент 1985 года по МПК H02M7/145 

1 Изобретение относится к преобра зованию энергии переменного тока и может быть использовано для питания установок водородного восстанов ления полупроводниковых материалов из газовой фазы, для питания печей гpaфиtaции углеродистых материалов и других технологических объектов, у которых по мере снижения напряжения для поддержания требуемой мощности необходимо увеличение тока нагрузки. Известны устройства для электрического питания установок водородного восстановления полупроводниковых материалов, содержащие силовой трансформатор, к вентильным обМоткам которого подключены управляемые выпрямительные мосты, соединен ные по постоянному току последовательно между собой и группой полупр водниковых стержней-нагревателей реактора водородного восстановления через коммутирующие элементы для ступенчатого регулирования .напряжения датчики тока и напряжения, бло ки регулирования и управления 1j. Данное устройство обеспечивает плавное регулирование напряжения за счет фазового управления тиристорами мостов внутри каждой ступени напряжения, количество которых равно число выпрямительных мостов Отключ емые управляемые мосты с момента отключения до окончания процесса восстановления в работе не участвуют, что обусловливает завьшенное значение установленной мощности устройства, т.е. недостаточно высокое использование трансформаторного и полупроводникового оборудования. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий тран форматор с первичной обмоткой, подключенной к питающей сети, и вторич ными обмотками, однофазные с разомк нутыми выходами постоянного тока включенные последовательно-согласно управляемые вентильные мосты, диаго нали переменного тока из которых подключены к одной из вторичных обмоток трансформатора, а вы ходы постоянного тока подключенык коммутирующ1Ш элементам,органы управ ления которых соединены с выходами блока управления, вход которого сое 82 динен с выходом датчика напряжения преобразователя, регулятор тока, выход которого соединен с управляющими элек.тродами вентилей указанных мостов, а вход соединен с выходом датчика тока нагрузки и выходом блока задания, причем диагональ постоянного тока выпрямительного моста, образованного последовательно-согласно включенньми однофаз.ными управляемыми мостами, подключены к нагрузке (2. В известном устройстве достаточно хорошо используется трансформаторное оборудование, так как все вторичные обмотки трансформатора находятся в работе после снижения напряжения на нагрузке до половины максимального значения, а по времени работа с напряжением, меньшим половины максимального значения, составляет большую часть цикла восстановления. Это достигается последовательным включением управляемых вентильных мостов с разомкнутыми диагоналями постоянного тока. Однако это же предопределяет низкий КОД устройства и его высокую стоимость, связанную с необходимостью использования всех вентилей, рассчитанных на максимальный ток нагрузки. Цель изобретения - снижение стоимости и повьщ1ение КПД устройства. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе переменного напряжения в постоянное, содержащем трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к питающей сети, и вторичными обмотками, однофазные управляемые вентильные мосты, диагональ переменного тока каждого из которых подключена к одной из вторичных обмоток трансформатора, управляемые коммутирующие элементы, органы управления которьк соединены с выходами блока управления, вход которого соединен с выходом датчика напряжения преобразователя,.регулятор тока, выход которого соединен с управляющими электродами вентилей указанных мостов, а вход соединен с выходом датчика тока нагрузки и выходом блока задания тока, управляемые вентидьные мосты по выходу соединены параллельно, а каждый из коммутирующих элементов включен между противофазными выводами вторичных обмоток соответствующих смежных вентильных мостов.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - функциональная схема блока управления.

Преобразователь содержит подключенный к питающей сети трансформатор 1 с вторичными обмотками 2 7, параллельно соединенные по выходу однофазные управляемые вентиль ные мосты 8 - 13, диагональ постоянного тока которых подключена к нагрузке 14, а диагональ переменного тока каждого из которых соединена с одной из вторичных обмоток 2-7 трансформатора 1 и состоящие соответственно из управляемых вентилей 15-18, 19-22, 23-26, 27-30, 31-34 и 35-38, коммутирующие элементы 39-43, органы 44-48 управления которых соединены с выходами блока 49 управления, вход 50 которого соединен с вькодом датчика 51 напряжения преобразователя, регулятор 52 тока выход которого соединен с управляющими электродами вентилей 15-38 мостов 8-13 соответственно, а вход соединен с выходом датчика 53 тока нагрузки 14 и выходом блока 54 задания тока.

В качестве коммутирующих элементов могут быть использованы электромеханические устройства либо вентильные ключи переменного тока.

Блок 49 управления (фиг. 2) содержит по числу коммутирующих элш ентов компараторы 55 - 59, входы которых подключены к выходу датчика 51 напряжения. Прямые выходы компараторов 55-57 через логические элементы ИЛИ 60-62 подключены к входам усилителей 63 - 65 мощности. Прямые выходы компараторов 58 и 59 подключены непосрественно к входам усилителей 66 и 67 мощности. Инверсный выход компаратора 57 через логическую схему Запрет 68 подключен к второму входу элемента ИЛИ 60 и через схему Запрет 69 к второму входу элемента ИЛИ 61. Инверсный выход компаратора 58 подключен к второму входу элемента ИЛИ 62 через схему Запрет 70 Входы запрета схем Запрёт 68 и 70 соединены с инверсным выходом компаратора, вход запрета схемы Запрет 69 соединен с инверсным выходом компаратора, вход запрета схемы Запрет

69 - с инверсным выходом компаратора 58.

Выходы усилителей 63-67 мощности подключены соответственно к органам 44 - 48 управления коммутирующих элементов 39-43.

Преобразователь работает следующим образом.

После предварительного разогрева кремниевых стержней-нагревателей в реакторе водородного восстановления полупроводниковых материалов, являющихся нагрузкой 14 преобразователя, на них подается полное напряжение, равное выпрямленному напряжению всех соединенных согласно-последовательно вторичных обмот.ок 2-7 трансформатора 1. Полное напряжение

Urn п- ли,

где п - количество ступеней дискретности, т.е. количество вторичных обмоток, равное количеству вентипьных мостов; аи - шаг дискретности напряжения и„, равный выпрямленному, напряжению одной вторичной

обмотки.

Подача полного напряжения- осущетвляется путем включения системы втоматического регулирования тока ри замкнутых коммутирующих элеменах 39 - 43. По мере осаждения ремния на стержнях-нагревателях диаметр их увеличивается, сопротивление уменьшается, в связи с чем для поддержания температуры их поверхности ток через стержни-нагреватели увеличивается. Процесс восстановления кремния идет нормально при температуре поверхности стержней-нагревателей 1050-1150°С. Блоком 54 задания устанавливается ток, соответствующий более высокой температ.урр стержней, и в интервале времени 0,5-2 ч (в зависимости от диаметра тержней-нагревателей) ток поддерживается стабильным до спадания температуры поверхности стержней донижней границы. В связи с уменьшением сопротивления стержней автоматическая стабилизация тока осуществляется за счет -снижения напряжения преобразователя. Блок 52 регулирования поддерживает постоянным ток стержней-нагревателей за счет регулирования угла управления вен5тилей путем обработки сигнала рассогласования между заданным его значением с блока 54 задания и действительным значением сигнала, снимаемым в тракте отрицательной обратной связи с датчика 53 тока в этом режиме работы преобразователя, когда все коммутирующие элементы 39 - 43 замкнуты, ток протекает в положительный полупериод сетевого напряжения по цепи обмотка 7 - вентиль 38 - нагрузка 14 стержни-нагреватели - вентиль 15 - обмотки 2 - 7, в отрицательный полупериод сетевого напряжения по цепи обмотка 2 -.вентиль 17 - стер ни-нагреватели - вентиль 36 -I обмотки 7-2. Поскольку напряжение Uro в п раз превышает напряжение а U каждой обмотки, все остальные вентили находятся в непроводящем состоянии, будучи заперты напряжением Um,приложенным к ним в обратном направлении. После снижения напряжения до величины, которая может быть обеспечена п-1 вторичной обмоткой, т.е до напряжения 1(, информация о чем поступает с датчика 51 напря жения на блок 49 управления, после ний формирует сигнал на отключение коммутирзтощего элемента 39, которы .поступает на его орган 44 управления, в результате чего коммутирующий элемент 39 размыкается. .В момент отключения коммутирующего элемента 39 блок 52 регулиро.вания тока автоматически снижает д минимально возможного значения уго управления вентилями и работа продолжается с коэффициентом мощности более высоким, чем при включенном коммутирующем элементе 39, когда преобразователь работал в зарегули рованном режиме. В работе находитс вьтрямительный мост на вентилях 19 21 и 36, 38, все остальные вентили заперты напряжением , приложе ным к ним в обратном направлении. Аналогичным образом преобразовател работает при снижении напряжения на стержнях-нагревателях до следую щих дискретных уровней напряжения 0.« и„ вплоть до i-k. при котором п 2k (количество сту перей дискретности выбирается четным), т.е. до напряжения, равного преобразователе, приведенном на фиг. 1, п 6). При снижении напряжения на стер нях-нагревателях до величины-11 по сигналам блока 49 управления отключается коммутирующий элемент41 и включаются коммутирующие элементы 39 и 40, а коммутирующие элементы 42 и 43 остаются включенными. В этом режиме две группы обмоток с равными /2 1/% напряжениями включаются параллельно,а в каждой группе обмотки 2 - 4 и 5 - 7 соединены последовательно. В работе участвуют выпрямительные мосты на вентилях 15,17,24, 26 и 27,29,36,38. После снижения напряжения до велиV, чины /3 и по сигналам блока 49 управления отключаются коммутирующие элементы 40 и 42, включается коммутирующий элемент 41, а остальные коммутирующие элементы остаются включенными. В этом режиме три группы обмоток, содержащие последовательно соединенные вторичные обмотки 2 и 3, 4 и 5, 6 и 7, имеют равные /з и„, напряжения, соединяются параллельно. Первая группа обмоток работает на выпрямительный мост из вентилей 15, 17, 20 и 22, вторая группа - на выпрямительный мост из вентилей 23, 15, 28 и 30, третья группа - на выпрямительный мост из вентилей 31, 33, 36 и 38. После снижения напряжения на стержнях до величины /6 и по сигналам блока 49 управления отключаются все коммутирующие элементы и все вторичные обмотки по выпрямленному напряжению включаются параллельно через находящиеся в работе вентильные мосты 8 - 13. Работа преобразователя в этом режиме продолжается до напряжения на стержнях, составляющего примерно 0,15 и,;, по еле чего процесс восстановления кремния заканчивается. Блок 49 управления работает следующим образом. В момент запуска преобразователя от источника питания системы управления на входы параторов 55-59 подается напряжение постоянного тока, в выбранном масштабе соответствукщее U. Компараторы срабатьшают, и на их прямых выходах образуются сигналы логической 1. Эти .сигналы поступают на вход усилителей 63 - 65 мощности через элементы ИЛИ 60 - 62, а на входы усилителей 66 и 67 - непосредственно, в результате чего срабатывают органы 44 - 48 управления и коммутирующие элементы 39 - 43 (фиг, 1) замыкаются, подавая на стержни-нагреватели и датчик 51 напряжения максимальное напряжение UITY питания стержней. Это напряжение с выхода датчика 51 напряжения пода ется на входы компараторов 55-59 и уде живает их в сработавшем состоянии. В процессе работы напряжение на нагрузке 14 снижается с величины %Um до величины /бУт компаратор 55, настроенный на этот уровень срабатывания, возвращается в исходное состояние и на его выходе появляется сигнал логического О. Это приводит к исчезновению сигнала на выходе элемента ИЛИ 60 и усилителя 63 мощности, в результате чего коммутирующий элемент 39 размыкается. При снижении напряжения до уровня второй ступени дискретности /6Um возвращается в исходное состояние компаратор 56, настроенный на этот уровень срабатьшания. Это приводит к размыканию коммутирующего элемента 40. На третьей ступени дискретности V и в исходное состояние возвращается компаратор 57 и размыкается коммутирующий элемент 41. Одновременно сигнал логической 1 с инверсного выхода компаратора 57 поступает на основные входы схем Запрет 68 и 69, проходя через вторые входы логйчёс.ких элементов ИЛИ 60 и 61, поступает на входы усилителей 63 и 64 мощности, что приводит к замыканию коммутирунмцих элементов 39 и 40. На следующей ступени дискретности /6 У в исходное состояние возвращается компаратор 59. На его прямом выходе формируется сигнал логического О, в связи с чем размыкается коммутирующий элемент 42, а на инверсном выходе формируется сигнал логической 1, который поступает на основной вход схеквы Запрет и на вход запрета схемы Запрет 69. Сигнал с выхода схемы Запрет 70 проходя на второй вход элемента РШИ 62, усиливается усилит лем мощности, что приводит к замыка нию коммутирующего элемента 41. Сиг нал, поступивший на вход запрета 1 8 . схемы Запрет 69, за:прешавт прохождение сигнала логической 1 с инверстного выхода компаратора 57 на вход элемента ИЛИ 61 ,в результате чего коммутирующий элемент 40 размыкается. -, После снижения напряжения до Уровня 4 Um компаратор 59 возвращается в исходное состояние. На его прямом выходе появляется сигнал логического О, на инверсном - логической 1, который поступает на входы запрета схем Запрет 68 и 70, в результате чего коммутирующие элементы 67, 68 и 70 размыкаются. В этом состоянии элементы блока 49 управления остаются до окончания процесса восстановления, после чего преобразователь отключается, а реак- тор разгружается. В предлагаемом устройстве, начиная с уровня напряжения 0,5 Ufjf до окончания процесса восстановления полупроводникового материала, т.е. более 90% времени технологического цикла, полностью используется трансформаторное оборудование (в различных комбинациях вторичные обмотки включе 1ы параллельно), также параллельно работают вентили находящихся в работе вентильных мостов, а вентили, в работе не участвующие, заперты обратным напряжением, токсм не обтекаются и на КПД преобразователя влияния не оказьшают. Это обуславливает снижение количества вентилей и повьппение КПД в предлагаемом преобразователе , Снижение стоимости преобразователя достигается путем уменьшения количества вентилей либо использования вентилей более низкой стоимости (вентилей на., более низкие токи), уменьшения количества требуемых для защиты вентилей предохранителей, индуктивных делителей тока меяду параллельно соединенными вентилями, аппаратуры управления вентилями, например формирователей импульсов управления, снижения металлоемкости конструкции преобразователя ввиду у 1еньшения его силовой полупроводниковой части и т.д. Кроме того, снижается объем занимаемых производственных площадей. создается экономия путем снижения расходов на эксплуатацию, охлаждение вентиляцию, создается экономия ктроэнергии за счет повышения КПД.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ, содержащий трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к питающей сети, и вторичными обмотками,однофазные управляемые вентильные мосты, диагональ переменного тока калдого из которых подключены к одной из вторичных обмоток трансформатора, управляемые коммутирующие элементы, органы упр вления которых соединены с выходами блока управления, вход которого соединен с выходом датчика напряжения преобразователя, регулятор тока, выход которого соединен с управляющими электродами вентилей указанных мостов, а вход соединен с выходом датчика тока нагрузки и выходом блока задания тока, отличающийс я тем, что, с целью снижения стоимости и повышения КПД, управляемые « вентильные мосты по выходу соединены параллельно,, а каждьй из коммутирующих элементов включен между противофазными выводами вторичных обмоток соответствунмцих смежных вентильных мостов.