Автономный инвертор напряжения Советский патент 1990 года по МПК H02M7/515 

(21 4248612/24-07

(22) 21.05.87

(46) 23,. 04.90. Бюл. Vf 15

(71)Научно-исследовательский, про- ектно-конструкторский и технологический институт комплектного электропривода

(72)Г.Н, Коваливкер

(53)621.314.572(038.8)

(56) Авторское свидетельство СССР

N° , кл, Н 02 М 7/515, 01,02.85.

Авторское свидетельство СССР N° 1317588, кл. Н 02 М 7/515, 03.01.86.

Авторское свидетельство СССР Н° 1336170, кл. Н 02 М 7/515, 06.01.86.

Авторское свидетельство СССР № 1293807, кл. Н 02 М 7/515, 05.10.85.

(54)АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ

(57) Изобретение относится к преобразовательной технике. Цель - улучшение энергетических показателей путем канализации избыточной энергии коммутации в нагрузку и снижение коммутационных напряжений. Инвертор содержит источник питания 1 и мост на тиристорах (Т) 40-45. К Т 40-45 подключен мост распределительных Т 46-51, соединенный через коммутирующие диоды 28-29 с обмоткой 32 коммутирующего тр-ра и коммутирующим конденсатором 27. Конденсатор 27 соединен с зарядными Т и коммутирующими Т 19, 20. Реакторы 21, 22 магнитосвя- заны. В устройстве отсутствует накопление энергии на коммутирующем конденсаторе, а его напряжение ограничивается на уровне, незначительно превышающем входное напряжение источника 1. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике. Цель - улучшение энергетических показателей путем канализации избыточной энергии коммутации в нагрузку и снижение коммутационных напряжений. Устройство содержит источник питания 1 и мост на тиристорах (Т) 40-45. К Т 40-45 подключен мост распределительных Т 46-51, соединенный через коммутирующие диоды 28-29 с обмоткой 32 коммутирующего тиристора и коммутирующим конденсатором 27. Конденсатор 27 соединен с зарядными Т 23-26 и коммутирующими Т 19, 20. Реакторы 21, 22 магнитосвязаны. В устройстве отсутствует накопление энергии на коммутирующем конденсатора, а его напряжение ограничивается на уровне, незначительно превышающем входное напряжение источника 1. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

О1 СП

Изобретение Ьтносится к преобразовательной технике и может быть использовано в тиристорных преобразователях частоты, в частности в автономных инверторах напряжения электровозов переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями,,

Цель изобретения - улучшение энер гетических показателей путем канализации избыточной энергии коммутации в нагрузку и снижение коммутационных напряжений с

На 1 изображена принципиальная схема предлагаемого инвертора; на фиг, 2 - диаграмма, поясняющая преобразование постоянного напряжения з трехфазное переменное; на фиг.З диаграмма, поясняющая электро магнитные процессы в предлагаемом инверторе.

Автономный инвертор напряжения содержит источник 1 питания, состоящий из трансформатора 2$ тиристорно- го моста , сглаживающего реактора 7, фильтрового конденсатора 8, токо- ограничивающего реактора 9 дополнительный источник 10 питания, подключенный к системе 11 и 12 электроснабжения, выполненный в виде диодного моста 13-16, зарядного реактора 17, фильтрового конденсатора 18, коммутирующие тиристоры 19 и 20, дополнительный токоограничивающий реактор 21, коммутирующий реактор 22, зарядные тиристоры коммутирующие конденсаторы 27 и диоды 28 и 29 разрядные диоды 30 и 31 коммутирующий трансформатор с двумя обмотками 32 и 33s возвратные диоды 34 и 35, диоды 36 и 37 связиj обратные диоды 38 и 39, главный тиристорный мост 40-45, распределительный тиристорный мост (46-5 i, нагрузку 52 и систему 53 управления,

Трехфазный мост главных тиристоров 40-45 подключен анодами через токоограничивающий реактор 21 к основной положительной шине источника 1 питания, трехфазный мост распределительных тиристоров 46-51 подсоединен выводами переменного тока к выводам переменного .тока трехфазного моста глав ных тиристоров 40-45, а выводами постоянного тока через обратные диоды 38 и 39 к соответствующим выводам постоянного тока трехфазного моста главных тиристоров, зарядный реактор 17 подключен одним выводом к поло

5

0

5

0

5

0

5

0

5

жительной шине дополнительного источника 10 питания, коммутирующие тиристоры 19 и 20 включены последовательно и общей точкой соединения подключены к выводу коммутирующего конденсатора 27, разрядные диоды 30 и 31 соединены последовательно, возвратные диоды 34 и 35 - попарно последовательно, подсоединены соответственно к шинам дополнительного источника 10 питания, коммутирующие диоды 28 и 29 соединены согласно последовательно и подсоединены соответственно к выводам постоянного тока моста распределительных тиристоров 46-51, а общей точкой соединения - к другому выводу коммутирующего конденсатора 2/, диоды 36 и 37 связи соединены согласно последовательно и подключены к соответствующим шинам вспомогательного источника питания, коммутирующий трансформатор с обмотками 32 и 33 подсоединен выводами первичной обмотки к общим точкам соединения коммутирующих и разрядных диодов, а выводами вторичной обмотки - к общим точкам соединения возвратных диодов 3k и 35 и диодов 36 и 37 связи, зарядные тиристоры включены последовательно и подсоединены к соответствующим шинам питания, тиристоры 25 и 26 общей точкой соединения объединены с общей точкой соединения коммутирующих диодов, а два других 23 и 24 общей точкой соединения объединены с общей точкой соединения коммутирующих тиристоров 19 и 20, коммутирующий реактор 22 подклю- чен одним выводом к основной отрицательной шине источника 1 питания и другим выводом к катодам трехфазного моста главных тиристоров 40-45, система 53 управления автономным инвар- тором содержит регулятор частоты, распределитель импульсов управления, .соединенный входом с выходом регулятора частоты, а выходами - через усилительно-развязывающие узлы с управляющими входами тиристоров

Обмотки токоограничивающего и коммутирующего реакторов выполнены с электромагнитной связью и с одинаковой индуктивностью, а к их соответствующим выводам подсоединены выводы коммутирующих тиристоров 19 и 20 и разрядных диодов 30 и 31.

Согласно фиг. 1-3 предлагаемый инвертор работает следующим образом.

Согласно диаграмме фиг. 2 на интервале времени t0, проводят ток тиристоры 40, 42 и 45. В момент времени t1 производят выключение тирис- тора 40. Для этого включают распределительный тиристор 47 и коммутирующий тиристор 19. При этом конденсатор 27, заряженный первоначально плюсом на правой обкладке, начинает перезаряжаться по контуру: 27, 29 47, 40, 21, 19, 27 j вытесняя ток нагрузки из тиристора 4о.„

В момент времени t 2 (фиг. 3) ток в тиристоре 40 спадает до нуля (кривая Iv4c) и ток перезаряда конденсатора 27 замыкается по контуру: 27, 32, 30, 21, 29, 27. При этом к выключаемому тиристору 40 прикладывается напряжение первичной обмотки 32 коммутирующего трансформатора.

Плюс обмотки 32 через диод 29 и тиристор 47 прикладывается к катоду тиристора 40, минус обмотки 32 - через разрядный диод 30 к аноду тиристора 40. Таким образом, тиристор на интервале времени t2.3 восстанавливает свои вентильные свойства. При этом ток нагрузки выключаемой фазы и двух других фаз замыкается по контуру: 8, 9, 19, 27, 29, 47, 52, 45, 22, 8 или 8, 9, 19, 27, 32, 30, 42, 52, 45, 22, 8.

В момент времени t за счет энергии, переданной конденсатором 27 то- коограничивающему реактору 21, на интервале времени t3.+ продолжается его перезаряд. При этом ток нагрузки в цепи конденсатора 27 спадает, а в цепи реактора 21 нарастает. В момент времени t ток конденсатора спадает до нуля, а ток в реакторе IU2, нарастает до тока нагрузки, равного приблизительно 2/3 от тока, протекающего до момента выключения тиристора 40, и замыкается по контуру: 8, 9, 21, 42, 52, 45, 22, 8. Если в момент времени t напряжение на перезарядившемся конденсаторе выше, чем входное ; напряжение инвертора, то ток выключаемой фазы замыкается по цепи: 52, 45, 39, 47, 52. При этом тиристор 19 восстанавливает свои вентильные свойства за счет разности напряжения (UCM- ис«) по контуру: 27, 19, 9, 8, 22, 39, 29, 27. Кроме того, существует второй контур для выключения v wpKCtopa 19: 27, 19, 21, 30, 32, 27. Поскольку ток выключаемой фазы проте15

1559389

0

5

кает по контуру, в котором -отсутс вует коммутирующий реактор (Б 9, 27, 29, 47, 52, 45 22, 8), величина индуктивности реактора 9 на порядок меньше, чем индуктивность реакторов 21 или 22, то, как только иС:21станет выше UC2g, создаются условия для выключения тиристора 19 и реактивный ток (фиг. 3, кривая IV3S) замыкается по указанному контуру (47, 52, 45, 39, 47). Если напряжение на конденсаторе 27 ниже входного напряжения инвертора (источник 1 питания), то конденсатор 27 заряжается током нагрузки по контуру 8, 9, 19, 27, 29, 47, 52, 45, 22, 8 и в момент времени, когда UC17 становится выше, чем U,, реактивная составляющая тока

0 замыкается по контуру: 47, 52, 45, 39, 47. В результате напряжение на коммутирующем конденсаторе независимо от величины тока нагрузки ограничивается на уровне, незначительно

5 превышающем U,. Таким образом, в автономном инверторе не накапливается энергия, обусловленная выключаемым током нагрузки.

Согласно фиг, 3 на интервале вреQ меки Реактивная составляющая тс ка спадает (кривая 1узэ), включается тиристор 41, ток в фазе нагрузки 52 меняет направление и начинает увеличиваться (кривая Т V4,), а ток в реак5

0

5

0

5

V 21

и „,,,)

торах 21 и 22 (кривые i увеличивается до прежнего значения В момент времени t fc включаются зэрядга ные тиристоры 23 и 26 и осуществляет™ ся дозаряд конденсатора 27 по цепи: 18, 17, 23, 26. В момент времени tr конденсатор заряжается до исходного напряжения, и процесс коммутации заканчивается.

Выполнение коммутирующих реакторов 21 и 22 со взаимоиндуктивностью с коэффициентом потокосцепления, близким к единице, позволяет исключить коммутационные перенапряжения на главных тиристорах автономного инвертора (кривые IV25 и I v 4l). как ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции,, создаваемые в контуре 8, 9, 21, 40, 41 s 22, 8 действием реакторов 21 и 22, взаимно компенсируются, то в процессе коммутации к тиристорам автономного инвертора прикладывается сумма напряжений, не превышающая U, + U34.

В момент времени t8 осуществляют коммутацию тиристора 45. Для этого

включают тирисчоры 50 и 20. Колебательным перезарядом конденсатора 27 ток нагрузки вытесняется из тиристора 45 по контуру: 27, 20, 22, Ь$, 50, 28, 27. Затем ток перезаряда конденсатора 27 замыкается по контуру: 27, 20, 22, 31, 32 9 27, вследствие чего к тиристору 5 прикладывается напряжение обмотки 32 коммутирующего транс- форматора. Далее на интервалах tj)3 (фиг. 2) процессы повторяются аналогично.

Выполнение коммутирующих реакторов с электромагнитной связью позволяет расположить их в охлажденной шахте соосно и таким образом снизить их конструктивный объем.

Таким образом, в АЙН отсутствует накопление энергии на коммутирующем конденсаторе УПК, а его напряжение ограничивается на уровне, незначительно превышающем входное напряжение источника 1 питания.

15

20

Блок управления автономным инверто-25 трехфазного моста главных тиристоров,

ром работает следующим образом. Согласно сигналу задания Uf, поступающему на вход системы 53 регулятор частоты формирует последовательность прямоугольных положительных ил, UB, Uc и отрицательных ил, Ug, Uc импульсов, нормированных и сдвинутых во времени, поступающих на вход распределителя импульсов управления. По задним фронтам указанных импульсов распределителем формируются узкие импульсы Кл,

К8, Кс, Кд, Ke, Kc, а также импульсы

рд Рв рс и fi РВ PC задержанные относительно задних фронтов импульсов, формируемых с выхода регулятора частоты на время восстановления вентильных свойств главных in коммутирующих тиристоров

Через усилительно-развязывающие узлы импульсы U, U6, 1)С5 ид; Ug, Uc поступают на управляющие входы главных тиристоров 4Q-k5f импульсы Кд Ка, Кс, Кл, Kg, Кс - на управляющие входы распределительных тиристоров 46-51, импульсы Кд, К8, Кс, объединенные через логический ИЛИ, - ка управляющий вход коммутирующего тиристора 19, импульсы Кл К&, Кс, объединенные через логический элемент ИЛИ,- на управляющий вход тиристора 20,

импульсы РА, Р6, PC объединенные по ИЛИ, поступают на управляющие входы зарядных тиристоров 23 и 26, а импульсы Р«, , Рс, объединенные по

98

ИЛИ, поступают на управляющие входы зарядных тиристоров 2k и 25.

Цифровые обозначения при алгоритмах переключения ключей - у„ , у - v26 на фиг. 2 соответствуют номерам элементов устройства на фиг. 1, Такая же логика обозначений принята и на фиг. 3.

Формула изобретения

1, Автономный инвертор напряжения, содержащий трехфазный мост главных тиристоров, подключенный анодами через токоограничивающий реактор к основной положительной шине питания, трехфазный мост распределительных тиристоров, подсоединенный выводами переменного тока к выводам переменного тока трехфазного моста главных тиристоров, а выводами постоянного тока через обратные диоды - к соответствующим выводам постоянного тока

0

5

0

5

0

5

зарядный реактор, подключенный одним выводом к дополнительной положительной шине питания, два последовательно включенных коммутирующих тиристора, коммутирующий конденсатор, подключенный одним выводом к общей точке соединения коммутирующих тиристоров, два последовательно соединенных разрядных диода, два попарно последовательно соединенных возвратных диода, подключенных к соответствующим вспомогательным шинам питания, два согласно последовательно включенных коммутирующих диода, подсоединенных своими соответствующими выводами к выводам постоянного тока моста распределительных тиристоров, два диода связи, коммутирующий трансформатор, подсоединенный выводами первичной обмотки к общим точкам соединения коммутирующих и разрядных диодов, а выводами вторичной обмотки - к общей точке соединения возвратных диодов, два последовательно включенных зарядных тиристора, подсоединенных к соответствующим вспомогательным шинам питания и общей точкой соединения объединенных с общей точкой соединения коммутирующих диодов, коммутирующий реактор, блок управления автономным инвертором, содержащий регулятор частоты, формирующий согласно частоте задания последовательности прямоугольных положительных Uj и отрицательныхиндекс,

U

где j - фазный и сдвинутых

j импульсов, нормированных во времени, распределитель импульсов управления, соединенный входом с выходом регулятора частоты и формирующий по задним фронтам импульсов Kj и RJ

импульсы

и U;

;. узкие импульсы ветственно, а также

соотJ

и

J

PJ , задержанные относительно задних фронтов этих импульсов U и U: на время восстановления вентильных свойств главных и коммутирующих тиристоров, а также формирующий импульсы управления тиристорами инвертора в соответствии с логическими выражениями

F, UA; F2 ид; F3 - U8 5 F4 U , F5 Uc; F6 Jjc; F7 KA; F8 Vj

9

К

с

F3 Kg; F,o К

F13 KA-K6-KC; FH КдК 8К

11

К

с

где F, Т -

логические функции управления главными тириторами;

F7 - Fj. - логические функции уп- равления распределительными тиристорами; FI3 F(4 - логические функции управления коммутирующими тиристорами,

причем выходы распределителя импульсов управления с управляющими выходами соответствующих тиристоров связаны через усилительно-развязывающие узлы, отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетических показателей путем канализации избыточной энергии коммутации в нагрузку и снижения коммутационных напряжений,

1 559389

10

;

10

15

30

25 35

в него дополнительно введены два последовательно соединенных зарядных тиристора, подключенных к соответствующим дополнительным шинам питания и к общей точке соединения коммутирующих тиристоров, коммутирующих конденсатор другим выводом подсоединен к общей точке соединения коммутирующих диодов, коммутирующий реактор подключен одним выводом к основной отрицательной шине источника питания и другим выводом - к катодам трехфазного моста главных тиристоров, диоды связи соединены согласно последовательно и подключены к соответствующим шинам вспомогательного источника питания м общей точкой соединения к другому выводу вторичной обмот ки ком- 20 мутирующего трансформатора, причем выводы коммутирующих тиристоров и разрядных диодов подсоединены к соответствующим выводам токоограничиваю- щего и коммутирующего реакторов, а управляющие входы дополнительно введенных зарядных тиристоров через усилительно-развязывающие узлы связаны с выходами распределителя импульсов управления, формирующего импульсы в соответствии со следующими логическими выражениями:

F. PA- V pcJ F« Рд-ps PC.

2. Инвертор по п. 1, отличающийся тем что обмотки то- коогрэничивающего и коммутирующего реакторов выполняются с электромагнитной связью и с одинаковой индуктивностью.