Устройство для принудительной коммутации тиристоров преобразователя Советский патент 1987 года по МПК H02M7/515 H02M5/27 

, Изобретение относится к преобразовательной .технике и может быть использовано для принудительной коммутации тиристоров в регулируемых выпрямителях и инверторах 5 в частности в автономных инверторах напрях е-- ния электровозов переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями

Целью изобретения является повышение; технико-экономических показателей путем более эффективного ограничения кoм ryтaциoнныx напряжений.

На фиг, 1 приведена принципиальная схема устройства для принудительной коммутации тиристоров преобразователя; на фиг, 2 - диаграммы импульсов управления соответствующих элементов, поясняю цие работу устрой ства, а также кривые импульсов тока и напряжения на коммутирующих конденсаторах; на фиг, 3 - функциональная схема одного из возможных вариантов формирователя сигналов управления устройства для коммутации тиристоров преобразователя.

Устройство для принудительной коммутации (фиг, 1) присоединяется своими шинами к тиристорному преобразователю 1, состоящему из главных тиристоров 2-7 J обратных тиристоров 8-13, нагрузки 14-16,, диодов 17 и 18 связи. Источник 19 питания устройства принудительной коммутации выполнен в виде тиристорного моста 20-23 и фильтрового конденсатора 24 и подключен с помощью диодов 25 и 26 к выводам постоянного тока трехфазного моста коммутационных тиристоров 27-32, Устройство принудительной коммутации также содержит мост зарядных тиристоров 33- 36, коммутируюпще LC-цепи, состоящие из дросселей 37-39 и конденсаторов 40-42, зарядный тиристор 43р разделительные диоды 44 и 45, зарядный тиристор 46, коммутирующий трансформатор с двумя Первичными обмотками 47 и 48 с двумя вторичныьш обмотками 49 и 50, разрядные диоды 5 н 52, возвратные диоды. 53 и 54, анодную группу распределительных тиристоров 55, состоящую из тирис- . торов 56-58, катодную группу распределительных тиристоров 59, состоящую из тиристоров 60-62, ограничивающие тиристоры 63 и 64, формирователь 65 сигналов управления. Катоды диодов 51 н 53 присоединяются к общим точкам соединення анодов тиристоров

0

27-29 и к аноду диода 25, Аноды диодов 52 и 54 подсоединяются к катодам тиристоров 30-32 и к катоду диода 26.

Коммутирующие LC-цепи одним вы- во;..ом подсоединяются к выводам переменного тока моста коммутирующих тиристоров 27-32 и другими выводами к аноду разделительного диода 44, к катоду разделительного диода 45 и к общей точке соединения разделительных диодов 44 и 45. Аноды зарядных тиристоров 33р34 и 43 и катод диода 25 подсоединяются к положительной шине источника 19, Катоды зарядных тиристоров 35j36 и 46 и анод диода 26 подсоединяются к отрицательному выводу источника 19 питания. Первичные обмотки 47 и 48 коммутирующего трансформатора присоединяются к катоду и аноду различных диодов 44 и 45 и к зноду и катоду разрядных диодов 51 и 52, Вторичные обмотки 49 и 50 коммутирую- 5 щего трансформатора присоединяются своими выводами к конца 4 первичнь.1х обмоток 47 и 48 и к катоду и аноду возвратных диодов 54 и 3, Анодная группа распределительных тиристоров 55 подсоединяется катодами к соответствую1тщм зажимам тиристорного преобразователя 1 и анодами к ка- тоду разделительного диода 45,

Катодная группа распределительных тиристоров под,ключа€1тся анодами к зажимам тирнсторнох о преобразователя 1 и катодами к аноду разделительного диода 44, Выходы формирователя 65 сигналов правления подсоединяются к тиристорам 27-36, 43, 46, 56-62J 62 и 64, Огре.ничительные тиристоры 63 и 64 подключаются анодом и катодом к обшдм течкам соединения дросселей 37 и 39 с конденса- торами 40 и 42 и другими выводами - к 1шнам источника 19 питания, Ано;5ы зарядных тиристоров 33 и 34 и катоды зарядных тиристоров 35 и 36 подсоединяются к шинам источника 19 питания. Катод тиристора 34 и анод тиристора 35 подсо(2диняются к выводу комментирующего дросселя 38s катод тиристора 33 и анод тиристора 36 к выводам дросселей 27 и 39,

0

5

0

0

55

Рассмотрим работу устройства при- ну/дательной коммутации на примере коммутации тиристоров преобразователя автономного инвертора напряжения.

Предположим, что к моь енту времени t включены тиристоры 2s4 и 6 преобразователя, и ток нагрузки замыкается по цепям: плюс входного напряжения, элементы 1,2,14,15 и 16, минус входного напряжения; плюс входного напряжения, элементы 1,4,16 15 и 6, минус входного напряжения. Предположим, что конденсаторы 40 - 42 заряжены к моменту времени t по- лярностью, указанной на фиг, 1 (с плюсом на правой обкладке), В момент времени t, включается коммути- руюпщй тиристор 27, распределительный тиристор 56 к тиристор 11 , и конденсатор 40 начинает разряжаться по цепи: элементы 40,44,45,56,2,17, 27,37 и 40, вытесняя ток нагрузки из тиристора 2 преобразователя 1,

В момент времени t ток колеба- .тельного LC KOHTypa из дросселя 37 и конденсатора 40 становится равным току нагрузки, и тиристор 2 запирается. Ток превышения этого LC-конту- ра, представляющий собой часть комму тирующего импульса тока, превышающего коммутируемый ток нагрузки, замыкается по цепи: элементы 40,44,45, 47,51,27,37 и 40, создавая на первичной обмотке коммутирующего транс- JQ 1 , При этом открывается обратный тиформатора 47 падение напряжения, плюс которого прикладывается через распределительный тиристор 56 к катоду запираемого тиристора 2, а минус через диоды 51 и 17 - к аноду тиристора 2. При достижении ЭДС вторичной обмотки 49 коммутирующего трансформатора величины, превышающей напряжение на фильтровом конденсаторе 24 источника 19, открывается возвратный диод р4, и ток обмотки 49 замыкается по цепи: элементы 49,51,25,24,26,54,49. Таким образом, на время протекания тока превьппения по первичной обмотке 47 к запираемому тиристору 2 прикладь - вается обратное напряжение прямоугольной формы с амплитудой, равной напряжению заряда фильтрового конденсатора 24, деленному на коэффициент трансформации коммутирующего трансформатора, и обеспечивается восстановление его запирающих свойств

Ток нагрузки 14 коммутируемой фазы протекает по цепи: плюс источника питания преобразователя 1, элементы 17,27,37,40,44,45,56,14,15 и 6, минус источника питания преобразователя 1. В момент време35

40

45

рис. ор 51 инвертора и происходит коммутация тока нагрузки из LC-кон- тура 39,42 в нагрузку. При этом в обычной схгме конденсатор 42 дозаря- жается на интервале времени t ,..t спадающим током нагрузки (кривые тока и напряжения показаны пунктирной линией) до напряжения, значительно превышающего входное напряжение преобразователя I, по цепи: источник питания преобразователя 1, диод 17, элементы 29,39,42,56,14,15 и 6, минус источника питания преобразователя 1. По мере спадания тока в цепи: источник питания преобразователя 1, элементы 17 ,29, 39 ,42,56,14,1 S и 6 ток в цепи: элементы 14,15,6 и

11 нарастает, и в момент времени t

а,

50

55

ГОК в LC-цепи 41,42 становится рав- 1ЫМ нулю, а в цепи обратного тирис- fopa 11 нарастает до тока нагрузки, В предлагаемой схеме в отличие от известной на интервале времени t. ,,

о

...t (кривые тока и напряжения показаны сплошной линией) открывается ограничивающий тиристор, и в момент времени, когда напряжение конденсатора 42 становится равным напряжению источника 19 питания, часть тока нани t, включается коммутируюЕщй тиристор 28, и ток нагрузки из LC-це- пи 37,40 перевод1-5тся в LC-цепь 38, 41. В момент времени fj ток первой LC-цепи 37,40 спадает до нуля, а то превышения второй LC-цепи замыкается по цепи: элементы 41,45,47,51, 28,38,41. В момент времени t включается коммутирующий тиристор 29 и ток нагрузки из LC-цепи 38,41 переводится в LC-цепь 39,42. Ток превышения замыкается по цепи: элементы 42,47,51,29,41 и 42. В момент времени tg ток превышения становится равным току нагрузки, и диод 5 запирается. Далее, если напряжение конденсатора 42 меньше входного напряжения источника 19 питания, происходит дозаряд конденсатора тсрков нагрузки на интервале времени t.,. ,,.t до напряжения источника питания преобразователя 1 по цепи: плюс источника питания преобразователя 1 элементы 17,29,41,42,56,14,15 и 6, минус источника питания преобразователя 1 .

В момент времени t напряжение конденсатора 42 становится равным входному напряжению преобразователя

5

0

5

рис. ор 51 инвертора и происходит коммутация тока нагрузки из LC-кон- тура 39,42 в нагрузку. При этом в обычной схгме конденсатор 42 дозаря- жается на интервале времени t ,..t спадающим током нагрузки (кривые тока и напряжения показаны пунктирной линией) до напряжения, значительно превышающего входное напряжение преобразователя I, по цепи: источник питания преобразователя 1, диод 17, элементы 29,39,42,56,14,15 и 6, минус источника питания преобразователя 1. По мере спадания тока в цепи: источник питания преобразователя 1, элементы 17 ,29, 39 ,42,56,14,1 S и 6 ток в цепи: элементы 14,15,6 и

11 нарастает, и в момент времени t

а,

0

5

ГОК в LC-цепи 41,42 становится рав- 1ЫМ нулю, а в цепи обратного тирис- fopa 11 нарастает до тока нагрузки, В предлагаемой схеме в отличие от известной на интервале времени t. ,,

о

...t (кривые тока и напряжения показаны сплошной линией) открывается ограничивающий тиристор, и в момент времени, когда напряжение конденсатора 42 становится равным напряжению источника 19 питания, часть тока нагрузки замыкается по цепи; точника питания преобразователя,1, элементы 17,29,39,63,24,26 и 18/ минус источника питания преобразователя 1. .При этом часть тока замыкается по цепи: плюс источника питания преобразователя 1, элементы 17,29,39,42,56,14, 15 и 6,минус источника питания преобразователя 1, Так как емкость конденсатора 24 выбирается много большей емкости конденсатора 42, то напряжение конденсаторов 24 и 42 за счет энергии, запасенной в реакторе спадающим током нагрузки, повышается незначительно, и, следовательно, напряжение конденсатора 42 ограничивается уровнем напряжения конденсатора 24, величина которого поддерживается на заданном уровне тиристорами 20-23. При этом ток нагрузки 14 замыкается по цепи: элементы 14,15,6,11 и 14, В момент времени tj ток в конденсаторах 42 и 24 спадает до нуля и переводится полностью в цепь: элементы 14,15,6 и п. Тиристор 56 и диод 17 запираются, и процесс коммутации заканчивается, Таким образом, энергия, запасенная в конденсаторе 42, переводится в фильтровой конденсатор 24, и выбором соотношения емкостей конденсаторов 24 и 42 можно ограничить напряжение на конденсаторе 42 на любом заданном уровне.

В момент времени tg открываются зарядные тиристоры 33 и 34 и происхо- |ЦИТ дозаряд коммутирующих конденсаторов 40 и 41 по цепям: плюс источника 19, элементы 33,37,40,44,

(О

f5

ратный тиристор 9. Конденсатор 42 начинает разряжаться по цепи: элементы 42,39,32,18.,44,45 и 42, вытесняя ток нагрузки из тиристора Ток превышения конденсатора 42 замыкается по цепи: элементы 42(39, 32,52,48,44,45 и 42.

Плюс напряжения обмотки 48 при ладашается к катоду запираемого тиристора 6 по цепи: плюс обмотки 48, элементы 52 и 19, катод тиристо ра 6. Минус напряжения обмотки 48 прикладывается через распределительный тиристор 6 к аноду тиристо ра 6 , В момент Ч включается комму

тирующий тиристор 31, и ток нагрузки переводится из LC-цепи 39 ,,42 в LC-цепь 385410 Б момент времени t включается комм тирующий тиристор

20 30,, и ток нагрузки переводится из ЬС-цепи 38,41 в LC-цепь 37,40. На интервале времени t ,,.t подается управляющий импульс на ограничиваю- ций тиристор 64, и когда напряжение

25 на конденсаторе 40 становится равны напряжению фильтрового конденсатора 24 источника 19 питания, часть тока нагрузки замыкается по цепи: плюс источника питания преобразователя 1

30 элементы 2 , 14, 15 , 6 ,4 1 , 37 , 30 и 18,, минус источника питания преобразо вателя 1, Другая часть тока замыкается по цепи:,плюс источника питания преобразователя 1, элементы 2

35 24,64,37,30 и 18, минус источника питания преобразователя 1, При этом ток нагрузки переводится в цепь: элементы 15s,9,2,i4 и 15, В момент времени ток в LC-цепи 37,38 спа

45 и 46, минус источника 19; плюс 40 дает до нуля, а в цепи: элементы 2,

источника 19, элементы 34,38,41,45 и 46, минус источника 19,

Таким образом, энергия, заканчиваемая током нагрузки, используется для дозаряда двух других LC-цепей. В момент времени t процесс дозаряда заканчивается, и схема подготовлена для очередной коммутации противоположной полярностью.

Рассмотрим коммутацию тиристоров катодной группы преобразователя 1, Предположим, что к моменту времени t включены тиристоры 5,6 и 4 преобразователя I, а конденсаторы 40 - 42 заряжены полярностью, указанной на фиг. I в скобках, В момент t для коммутации тиристора 6 включается тиристор 6I, коммутирующий тиристор 32 и с выдержкой времени об

ратный тиристор 9. Конденсатор 42 начинает разряжаться по цепи: элементы 42,39,32,18.,44,45 и 42, вытесняя ток нагрузки из тиристора 6. Ток превышения конденсатора 42 замыкается по цепи: элементы 42(39, 32,52,48,44,45 и 42.

Плюс напряжения обмотки 48 прик- ладашается к катоду запираемого тиристора 6 по цепи: плюс обмотки 48, элементы 52 и 19, катод тиристора 6. Минус напряжения обмотки 48 прикладывается через распределительный тиристор 6 к аноду тиристора 6 , В момент Ч включается коммутирующий тиристор 31, и ток нагрузки переводится из LC-цепи 39 ,,42 в LC-цепь 385410 Б момент времени t включается комм тирующий тиристор

30,, и ток нагрузки переводится из ЬС-цепи 38,41 в LC-цепь 37,40. На интервале времени t ,,.t подается управляющий импульс на ограничиваю- ций тиристор 64, и когда напряжение

на конденсаторе 40 становится равным напряжению фильтрового конденсатора 24 источника 19 питания, часть тока нагрузки замыкается по цепи: плюс источника питания преобразователя 1,

элементы 2 , 14, 15 , 6 ,4 1 , 37 , 30 и 18,, минус источника питания преобразователя 1, Другая часть тока замыкается по цепи:,плюс источника питания преобразователя 1, элементы 25,

24,64,37,30 и 18, минус источника питания преобразователя 1, При этом ток нагрузки переводится в цепь: элементы 15s,9,2,i4 и 15, В момент времени ток в LC-цепи 37,38 спадает до нуля, а в цепи: элементы 2,

,9 и 2 нарастает до тока нарузки,

В момент t,g вк;тпючаются зарядные тиристоры 35,36 и 43, и конденсато- .

ы 40 и 4-2 дозаряжаются по цепям плюс источника 19 элементы 43,44, 41.j39 и 35, минус источника 9; плюс источника 19, элементы 43, 44, 45, 42, 39 и 36, минус источкика 19. В момент времени ток дозаряда спадает до нуля, и процесс ко1-1мутации заканчивается. Таким образом, при ко1у1 1утации тиристоров катодной группы преобразователя 1 напряжение конденсатора 40 ограничивается на уровне напряжения фильтрового конденсатора 24, Известно, что энергия i, передающаяся колебательным конт уром в коммутирующий и фильтровой конденсатор, определяется индуктивностью коммутирующего реактора. Для уменьшения индуктивности коммутирующего реактора собственную частоту колебательного контура первой и третьей LC-цепей можно выбирать выше чем второй LC-цепи. Кривые напряжения и тока коммутирующих конденсаторов для этого случая показан на фиг. 2. При этом минимальную величину индуктивности коммутирующего реактора можно выбрать из условия максимально допустимой скорости на- састания тока нагрузки, т.е.

L . ..-;

dl/dt

где dl/dt - максимально допустимая

скорость нарастания прямого тока по техническим условиям тиристора. Волновое сопротивление первого и третьего контура (т.е. емкость С можно выбрать из условия равенства амплитуд коммутирующего импульса пе вого и третьего контура,

С ЬллаЦ.5:г

т.е.

-мин

где С

2

L. емкость и индуктивность второго контура.

В случае, если собственная частота второго колебательного контура значительно выше чем собственная частота первого и третьего контура, индуктивность второго контура при одинаковых амплитудах коммутирующих импульсов тока также значительно вьше, т.е.

Ч

fMtf

Следовательно, на дозаряд второй LC- цепи от источника 19 питания потребляется значительная часть энергии, передающейся спадающими токами нагрузки первой и третьей LC-цепей. При таком выборе параметров коммути- рующих LC-цепей при некотором проигрыше в габаритах можно добиться баланса энергии.

Применение предлагаемого устройства принудительной коммутации наиболее эффективно, когда вместо одного коммутирующего тиристора приходится по условию допустимой мощности потерь включать три коммутирующих тиристора параллельно. В этом случае число коммутирующих тиристоров в одноконтурной и трехконтурной схемах одинаково. Такой режим может

0

5

0

.,,

быть в случае соединения обмоток преобразователя 1 в треугольник. При этом возрастает амплитуда импульСов тока, его крутизна и соответственно потеря в коммутирующих тиристорах на участках нарастания и установления тока.

Система 65 формирования сигналов управления,устройства для принудительной коммутации (фиг. З) состоит из регулятора 66 частоты и .распределителя 67 импульсов управления, выполненного в виде двух каналов управления на логических элементах. Каждый канал распределителя импульсов состоит из усилителя формирова- теля 68, одновибраторов 69-72 и усилителей-формирователей 73-78.

Выходы регулятора 66 соединяются с входам-.- усилителей-формирователей 68, выходы усилителей-формирователей 68 - с входами одновибраторов 69-72, выходы одковибраторов - с входами усилителей-формирователей 73-78. С выходов усилителей-формирователей 73-78 сигналы управления поступают на управляющие выводы тиристоров 27- 29, 63,33,34 и 46 в первом канале управления и на управляющие выводы тиристоров 31,30,64,35,36 и 43 во втором канале управления.

Устройство фopмиpoвaни i сигналов управления согласно диаграмме импульсов управления работает следующим образом.

На вход регулятора 66 частоты.подается сигнал Uj задания по выходной. частоте. С выхода регулятора 66 для . каждой фазы преобразователя I форми- 40 руются два сигнала (например, -и). Согласно диаграмме (фиг. 3) по заднему фронту этих сигналов формирователи 68 формируют импульсы, поступающие на вход тиристоров 27 и 45 32 и на вход одновибраторов 69-72. Одновибраторы формируют импульсы, длительностью равные интервалам времени t,...t, t,...t, t,...tg, 11...t g, no задним фронтам которых 50 усилители-формирователи 73-78 формируют импульсы управления, поступающие на тиристоры 27-29,63,33,34 и 46 в первом канале управления и на тиристоры 31,30,64,35,36 и 43 в о вто- 55 ром канале управления.

30

35

Ф о

рмула изобретения

i. Устройство для принудительной коммутации тиристоров преобразователя.

содержащее источник питания трех- фазный мост коммутирующих тиристоров, к выводам постоянного тока ко-- торого присоединены соответствутошле выводы двух разрядных и двух возвратных диодов, два согласно-последовательно включенных разделительных диода, три коммутирующие ЬС-цепи подключенные одними соответствующими выводаг и к выводам переменного тока трехфазного моста коммутирующих тиристоров и другими выводами к соответствующим выводам разделительных диодов, два зарядных тиристорвр подключенных одними анодом и катодом к соответствующим шинам источника питания и другими катодами и анодом к аноду первого и к катоду второго разделительных диодов, коммутирующий трансформатор, подсоединенный соответствующими выводами своих первичных обмоток к обЕ1им точкам соединения зарядных тиристоров и разделительных диодов, соответствующими выводами вторичных обмоток - к анодам и катодам разрядных и возвратных диодов и к другим выводам первичных обмоток, анодную и катодн ую группу распределительных тиристоров, подсоединенных анодами к катоду второго разделительного диода, катодами - к аноду первого разделительного ди- ода и другими анодами и катодами - к соответствующим зажимам тиристор- кого преобразователя, два ограничм0

5

0

вающих тиристора, подключенных соот- :ветствую1цими анодом и катодом к об- 1ДИМ точкам соединения конденсаторов и реакторов соответствующих LC-це- пейр форг-мдователь сигналов управления подсоединенный выводами к управляющим электродам тиристоров, отличающееся тем, что, с целью повышения технико-энергетических показателей путем более эффективного ограничения коммутацион- ких напряжений S, оно дополнительно снабжено дв:/мя диодами подсоединенными соответственно одними катодом и анодом к шинам источника питания и другими анодом и катодом - к выводам - постоянного тока трехфазного моста коммутирующих тиристоров,, а также четырьмя попарно-встречно соединенными анодами и катодами дополнительными зарядными тиристорами, общие точки соединения анодов и катодов которых присоединены к положительной и отрицательной шинам источника питания, а другие их аноды и катоды присоединены: к соответствующим выводам ЬС-цепеЙ9 причем другие выводы ограничивающих тиристоров присоединены к соответствующим шинам источника питания,

2, Устройство по п, 1(1 отличающееся TeMj что источник питания выполнен в виде тиристорно- го моста с фильтровым конденсатором на выходе,

к. «to& t : -9-eN - 5 - «OlO

9иг-3

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в регулируемых выпрямителях и инверторах. Целью изобретения является повышение технико- энергетических показателей. Устройство содержит трехфазный мост коммутирующих тиристоров (КТ) 27 - 32 и мост зарядных тиристоров 33 - 36. Вывода переменного тока моста КТ 27 - 32 соединены с коммутирующими .LC-це- пями 37 - 42, которые подключены через зарядные тиристоры 43, 46 и разделительные диоды 44, 45 к источнику питания (ИП) 19. Выводы постоянного тока моста КТ 27 - 32 подключены к ИП 19 через диоды 25, 26. ИП 19 включает в себя фильтровой конденсатор (ФК) 24. При коммутации тиристоров преобразователя 1 напряжение соответствующего конденсатора LC-цепей 37 - 42 ограничивается на уровне ФК 24, 1 з.п. ф-лы, 3 ил. а (Q оо о tN3 4 о о: