Непосредственный преобразователь м-фазного напряжения одной частоты в однофазное м-кратной частоты Советский патент 1989 года по МПК H02M5/27 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике, и может быть использовано для получения однофазного напряжения повышенной частоты из многофазного напряжения сети.

Целью изобретения является улучшение качества выходного тока и напряжения преобразователя путем уменьшения их несинусондальности, а также повышение устойчивости работы преобразователя ,

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого преобразователя с шунтирую- щими тиристорами, питающегося от многофазной сети без нулевого провода; на фиг. 2 - структурная схема устройства управления шунтирующими тиристорами преобразователя; на фиг. 3 и 4 - временные диаграммы, показьтающие фор му напряжения и,„ на выходе преобразователя (на шунтирующих тиристорах) при разных, зависящих от характера нагрузки преобразователя и угла отпирания его тиристоров oL, фазовых сдвигах между током и ЭДС фазы (бде, и i,) и естественном закрытии шунтирующих тиристоров; на фиг. 5 - временная диаграмма при принудительном закрытии шунтирующих тиристоров в момент прохождения напряжения едр, через ноль; на фиг. 6 и 7 - временные диаграммы, показьшающие работу преобразователя при разных фазовых сдви- гах между током и ЭДС е, е . и е преобразователя и работе только канала тока; на фиг. 8 - то же, при работе как канала тока, так и канала напряжения узла управления шунтирующими тиристорами преобразователя; на фиг. 9 и 10 - схема замещения и временная диаграмма, иллюстрирующие потерло устойчивости преобразователя при отсутствии временной задержки в узле управления шунтирующими тиристорами соответственно.

Преобразователь (фиг. )) содержит m фаз, каждая из которых А, В, С,... М имеет два встречно-параллельно включенных основных ти15истора 1 и 2, 3 и 4, 5 и 6,...,2т-1 и 2т, образующи основные ключи переменного тока. Кроме того, в преобразователь входят дв встречно-параллельно включенных шунтирующих тиристора 7 и 8, образующих дополнительный ключ переменного тока Каждый из основных ключей переменног тока соединен последовательно с пер

0

5

г g ,

0

0

5

0

5

Бичной обмоткой 9 выходного трансформатора 10 преобразователя и образует вместе с ней его секцию. Секции преобразователя соединены в т-угольник, вершины которого являются входными выводами преобразователя, предназначенными для подключения к ш-фазной сети.

Дополнительный ключ переменного тока (тиристоры 7 и 8 ) подключен параллельно, либо вторичной обмотке 11 выходного трансформатора 10, либо параллельно его дополнительной обмотке 12 (показана пунктиром). Это целесообразно, например, в случае, KOI- да напряжение вторичной обмотки 11 выходного трансформатора велико, а в наличии имеются шунтирующие тиристоры, рассчитанные на работу при небольших напряжениях, но больших токах. Дополнительная обмотка 12 при этом рассчитывается иа небольшое выходное напряжение, но большой ток. В данном случае шунтирующие тиристоры связаны со схемой преобразователя электромагнитным путем.

Нагрузка преобразователя подключается параллельно его вторичной обмотке 1 через последовательный резонансный LC-фильтр 13, настроенный с учетом ее реактивного сопротивления на т-кратную частоту, т.е. рабочую частоту преобразователя.

Шунтирующими тиристорами 7 и 8 дополнительного ключа переменного тока управляет дополнительный блок 14 управления, входными сигналами которого являются выходные сигналы датчиков мгновенных значений выходного тока и напряжения преобразователя, в качестве последних можно использовать, например, трансформатор 15 тока и трансформатор 16 напряжения соответственно.

Блок 14 управления шунтирующими тиристорами преобразователя (фиг. 2) содержит два нуль-органа 17 и 18, входы которых подключены к выходам вторичных обмоток трансформатора тока 15 и напряжения 16. Выходы нуль-органов 17 и 18 канала тока и напряжения соответственно подключены к входам двухвходового логического элемента ИЛИ 19, выход которого подключен к элементу 20 временной задержки, а его выход соединен с входом выходного формирователя 21 импульсов управления шунтирующими тиристорами, выходы кото

51

рого подключены к их управляющим электродам (фиг. 1). Блок 14 управления вьдает импульсы управления шунтирующими тиристорами с задержкой по отношению к моменту спада до нуля тока и напряжения на выходе преобразователя Нуль-органы схемы управления работаю так, что при спаде до нуля тока и напряжения на выходе преобразователя они формируют на своих выходах короткие импульсы напряжения. В качестве нуль-органа, элемента задержки и выходного формирователя импульсов могу быть использованы типовые аналоговые или цифровые элементы и узлы, применемые в преобразовательной технике.

Рассмотрим работу предлагаемого преобразователя в различных режимах на примере трехфазного преобразова- теля.

Для упрощения временных диаграмм работы преобразователей приняты следующие допущения, незначительно влияющие на качественный анализ процессов в них: активное и индуктивное сопротивления сети равны нулю, коммутация тиристоров происходит мгновенно, на выходе преобразователя установлен идеальный резонансный LC-фильтр, настро- енный на основную гармонику выходного напряжения преобразователя с учетом реактивного сопротивления нагрузки, время вьрслючения тиристоров и действи элемента 20 задержки равно нулю.

Последнее допущение основано на том, что время действия элемента 20 задержки мало (0,1-0,2 мС) и практически не влияет на характер рабочих процессов в преобразователе.

I

(

При рассмотрении режимов работы преобразователя принимают следующие условные обозначения: ед, е., - ЭДС, приложенные к фазам А, В и С преобразователя соответственно; ift, ig, ij. - токи в фазах А, В и С преобразователя соответственно; U - напряжение на выходе преобразователя (на шунтирующих тиристорах); )- ток в шунтирующих тиристорах; Ь ц, 1ц - соответственно напряжение и ток нагрузки преобразователя; 2 п /3-ь (n+l ) ir - угол отпирания основных тиристоров преобразователя, п «0,1,2,.,.; , и,-- импульсы напряжения, подаваемые на управляющие электроды шунтирукнцих тиристоров соответственно по каналу напряжения и

0

5

1

0

5 Q

, Q

5

45

тока от блока управления шунтирующими

тиристорами.

Анализ работы преобразователя при разных углах отпирания фазных тиристоров можно свести к рассмотрению двух общих случаев, характеризующихся соотношением между моментами спада до нуля фазного тока и соответствующей ему фазной ЭДС преобразователя. В первом случае угол отпирания тиристоров секций такой, что фазный ток спадает до нуля раньше, чем соответствующая ему фазная ЭДС, во втором это происходит позже спада до нуля фазной ЭДС.

В первом случае временные диаграммы, показывающие кривые ед, 1д и и, приведены на фиг. 3, полные временные диаграммы преобразователя в рассматриваемом режиме приведены на фиг. 6. Как видно из них, ток нагрузки iu собирается из участков, на которых поочередно работают фазные и шунтирующие тиристоры, номера которых (фиг. 1) приведены на диаграмме внутри заштрихованных площадок. Рассмотрим этот процесс, начиная, например, с момента времени t, когда под действием управляющего импульса от системы управления основными тиристорами, включается тиристор 6 в фазе С преобразователя. В момент времени tj этот тиристор при прохождении тока в фазе С через ноль выключается естественным путем. Одновременно под действием управляющих импульсов иц,ц„ и и импульсы, формируемые каналами тока и напряжения в этом случае появляются в один и тот же момент времени), вклочается шунтирующий тиристор 7, через который до момента t п роте- кает ток, обусловленный энергией, запасенной в реактивных элементах фильтра 13 и нагрузки преобразователя. В момент времени t, пвд действием управляющего импульса от системы управляемых основными тиристорами включается тиристор 3 в фазе В преобразователя, который в процессе коммутации выключает шунтируютий тиристор

7.В момент времени t тиристор 3 выключается естественным путем и под действием узла управления шунтирующими тиристорами включается тиристор

8.Дальше процесс циклически повторяется с участием тиристоров других секций.

Как видно из диаграммы тока нагру ки (фиг. 6), он непрерывен и при добротном LC-фильтре 13 близок к синусоидальному.

Рассмотрим работу преобразователя во втором случае, т.е. когда фазньш ток спадает до нуля позже соответствующей фазной ЭДС.

Рассматривают сначала такой режим работы преобразователя, когда в его блоке управления шунтирующими тиристорами работает только канал тока, а на выходе канала напряжения импульсы управления основными тиристорами секции отсутствуют (например, при неисправности в канале напряжения или преднамеренном его отключении). Как видно из диаграмм этого режима (фиг. и 7), существуют области разных полярностей напряжения U в интервале повторяемости структуры схемы преобразователя. Сопоставление диаграммы на фиг. 7 с диаграммами работы преобразователя в рассмотренном ранее пер вом случае (фиг. 6) показывает,.что порядок работы тиристоров здесь такой же, основные тиристоры выключаются естественным путем и преобразователь сохраняет работоспособность. Однако использовать этот режим не всегда целесообразно из-за снижения амплитуды напряжения утроенной частоты на нагрузке и уменьшения зоны устойчивой работы преобразователя по углу управления тиристорами сек- ций.

Рассмотрим теперь применительно к второму случаю такой режим работы преобразователя, когда в его блоке управления шунтирующими тиристорами работает как канал тока, так и канал напряжения (фиг. 5 и 8),

В момент времени t, (фиг. 8) импульсом от системы управления основнми тиристорами включается тиристор 6, который работает до момента t. В момент времени t импульсом от канала напряжения блока управления шунтирующими тиристорами включается тиристор 8, выключая в процессе ком- мутации основной тиристор 6.

В момент времени t тиристор 8 выключается естественным путем и импульсом канала тока блока Управления шунтирующими тиристорами включается тиристор 7, который в момент времени t, выключается в процессе коммутации при включении секцион

5

0

5

5

ного тиристора 3 системой управления секционными тиристорами. В процессе следующей коммутации в момент времени tg при включении шунтирующего тиристора 7 импульсом напряжения U основной /секционный тиристор 3 ны- ключается. Тиристор 7 выключается естественным путем в момент времени tg. В этот же момент импульсом Ui включается шунтирующий тиристор 8. Дальше процесс циклически повторяется с участием других основных тиристоров.

Таким образом, и во втором рассматриваемом случае преобразователь работоспособен и выдает в нагрузку ток, близкий к синусоидальному.

Отсутствие временной задержки импульсов Ь цл и в блоке 14 управления шунтирующими тиристорами может привести к короткому замыканию в преобразователе. Это можно показать, цтассматривая его работу, например, в момент времени t (фиг. 6). Схема замещения преобразователя для этого момента приведена на фиг. 9, а временная диаграмма, показывающая возникновение тока короткого замыкания - на фиг. 10. Из схемы фиг. 9 видно, что при одновременно открытых основном 2 и шунтирующем 7 тиристорах в схеме преобразователя возникает контур короткого замыкания в фазе А преобразователя. Такая ситуация может- быть при применении основных (секционных) тиристоров с большим временем выключения и при преждевременной (до спада к нулю фазного тока преобразователя) подаче управляющего импульса на управляющий электрод шунтирующего тиристора 7. Действительно, при снижении тока 1д до уровня уставки IUCT нуль-органа канала тока управления шунтирующими тиристорами, на его выходе появляется имлульс напряжения ицр. Этот импульс появляется несколько раньше момента спада тока i. до нулевого значения и, если его подать без задержки на управляющий электрод шунтирующего тиристора 7, то при включенном секционном тиристоре 2 в схеме преобразователя появляется контур короткого замыкания с током 1ц, . При наличии элемента временной задержки короткое замыкание не возникает, если время задержки t д, больше времени выключения секционного тиристора t gy на время опережения срабатьшания нуль-органа tц относи91524

тельно момента спада до нуля фазного тока 1д, т.е. когда t,,+t o.

Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволяет улучшить качество выходных пара- метров непосредственного преобразователя т-фазного напряжения в однофазном т-кратной частоты и повысить устойчивость его работы в широком диапазоне нагрузок.

10

Формула изобретения

1. Непосредственный преобразова- тель т-фазного напряжения одной частоты в однофазное т-кратной частоты, содержащий m секций, каждая из которых выполнена в виде последовательно включенных основного ключа пере- манного тока из встречно-параллельно соединенных тиристоров и первичной фазной обмотки т-фазного выходного трансформатора, причем секции соединены в замкнутый т-угольник, верши- ны которого образуют входные выводы для подключения их к га-фазной сети, выходные выводы образованы выходным фильтром, подключенным к вторичной обмотке упомянутого трансформатора, а также синхронизированную с сетью систему импульсно-фазового управления, выполненную обеспечивающей формирование и циклическую подачу на ключи секций управляющих импульсов в диапазоне углов отпирания (n+l) i(, где , 1,2,... при отсчете от начала положительной полуволны линейного напряжения сети,

приложенного к г.анной секции, о т -

0

1А5 10 личающийся тем, что, с целью улучшения качества выходного тока и напряжения путем уменьшения их несинусоидальности, а также повышения устойчивости работы преобразователя, он снабжен дополнительным ключом переменного тока в виде двух встречно-параллельно включенных шунтирующих тиристоров, подключенных либо параллельно вторичной обмотке выходного трансформатора преобразователя, либо параллельно дополнительной обмотке этого же трансформатора, и блоком управления этим ключом, обеспечивающим формирование и подачу на него управляющих импульсов с задержкой по отношению к моментам спада до нуля выходного тока, по длительности большей времени выкхоочения rji- ристоров основных ключей переменного тока, а фильтр вьшолнен в виде последовательной (резонансной LC-цепи, настроенной с учетом реактивного сопротивления нагрузки на т-кратную частоту.

2. Преобразователь по п. 1, о т - личающийс я тем, что блок управления дополнительным ключом переменного тока выполнен в виде датчиков мгновенных значений выходного тока и напряжения преобразователя, выходы которых через нуль-органы подключены к входам двухвходового ческого элемента ИЛИ, причем выход последнего через элемент временной задержки и выходной формирователь импульсов управления присоединен к выходиым выводам упомянутого блока.

Управление U4ynmupy u4uf u. /пирис торами

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике. Целью является улучшение качества выходных напряжений и тока путем уменьшения их несинусоидальности. Устройство содержит M пар встречно-параллельно включенных тиристоров 1-2 M, которые совместно с подсоединенными к ним первичными обмотками 9 трансформатора 10 образуют секции, соединенные между собой по схеме M-угольника. Выходная обмотка 11 зашунтирована встречно-параллельно включенными тиристорами 7 и 8, управляемыми по информации о токе и напряжении и входе фильтра 13. В одном из вариантов тиристоры 7 и 8 могут быть включены параллельно дополнительной обмотке 12. Фильтр 13 выполнен в виде последовательной резонансной LC-цепи, настроенной с учетом реактивности нагрузки на M-кратную частоту. 1 з.п. ф-лы. 10 ил.

s.

п

20

)9

0

TJ

о

f8

16

4

фие.2

п.

.

X

иш

.

Л /

У

ФиеЛ

/ /;

/

V/

.5

fljc . Г .

л/з j

w

(

5/:ч

5/J

1Х 1Х ПХ П/ I I I I

sv/j

.

17

WJx

,

fCA

Й

/утГ

Vy. к .к

ч

к

К.

/1

/1

v

.

ч

.5J7/J I/

,

2Jfli

41

й

/3.

14 l r

/«,... IX U IX

KM II M II II II I

A

2Jf

/

fM A

/jx-

/

гя

Фиг.8

Фие.9