Тиристорный инвертор напряжения с искусственной коммутацией Советский патент 1990 года по МПК H02M7/515 

сл 1 сд ю

vj

со

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в тяговых приводах электровозов переменного тока с асинхронными двигателями. Цель изобретения улучшение энергетических показателей путем канализации избыточной энергии коммутации в нагрузку или в источник постоянного напряжения. Устройство содержит тиристоры 3-20, образующие трехфазные мосты. Узел 29 принудительной коммутации подключен к источнику питания 25. Устройство позволяет исключить накопление избыточной энергии в конденсаторах узла 29, обеспечивая более высокие энергетические показатели. 4 ил.

с. ю

jco4goji

/

Дот| oji

66

,КЗ-20

KW-4 К51-59

Фиг.1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано та тяговых приводах электровозов переменного тока с асинхронным двигателемо

Цель изобретения - улучшение энергетических показателей путем канали- избыточной энергии коммутации в нагрузку или в источник постоянного напряжения

На фиг,1 приведена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг„2 - диаграмма импульсов управления, поясняющая работу-устройства, а также кривые импульсов тока и напряжения на коммутирующих конденсаторах; на фиг.З - функциональная схема одного из возможных вариантов блока управления тиристорами; на фиг.4 - диаграмма импульсов.поясняющая работу блока управления о

Тиристорный инвертор напряжения с искусственной коммутацией содержит основные шины источника 1 питания, . инвертор 2, состоящий из тиристоров 3-20, причем тиристоры 3,4,9,10,15 и 16 объединены в главный тиристорный мост, тиристоры 7,10,13,16,19 и 20 объединены в обратный тиристорный мост Выводы переменного тока тирис- торных мостов объединены и подсоединены к выводам трехфазной нагрузки 21 (фаза А-22, фаза В-23, фаза С-24), мосты главных и обратных тиристоров объединены по выводам постоянного тока и подсоединены к основнымшинам питания источника 1„ В состав тиристорного инвертора входят однофазный тиристорный мост 25 с фильтровым конденсатором 26 на выходе, входом через клеммы 27 и 28 подключенный к питающей сети, узел 29 принудительной коммутации (УПК), подключенный выводами 30- 37 к соответствующим основным шинам питания источника 1, к выводам однофазного тиристорного моста 25 и к выводам постоянного тока распределительного 5, 6, 11, 12, 17 и 18 тиристорного моста

Узел 29 принудительной коммутации содержит развязывающие диоды 38 и 39, подсоединенные к выводам 32 и 35,две пары 40, 41 и 42, 43 согласно последо вательно включенных коммутирующих тиристоров, подсоединенных общими точками соединения анодов и катодов к соответствующий выводам развязывающих диодов 38 и 39, два зарядных тиристо

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ра 44, 45, подсоединенных одними анодом и катодом к выводам 32, 35 и другими анодом и катодом к общим точкам соединения пар согласно последовательно включенных коммутирующих тиристоров, две коммутирующие LC-цепи 46, 47 и 48, 49, включенные последовательно через разделительный диод 50, подключенные одними выводами к общим точкам пар коммутирующих тиристоров, два двух операционных тиристора 51 и 52 сброса, подсоединенных одними выводами к общим точкам соединения конденсаторов и реакторов LC-цепей и другими выводами к основным шинам питания источника I, два зарядных тиристора 53 и 54 подсоединенных к выводам 32 и 35 и к другим выводам коммутирующих LC-цепей, коммутирующий трансформатор, состоящий из обмоток 55-57 подсоединенных одними выводами двух первичных обмоток 55 и 56 к выводам постоянного тока моста распределительных тиристоров и разделительному диоду 50, два диода 58 и 59 связи, соединяющие выводы коммутирующих тиристоров с основными шинами питания, два разрядных 60 и 61 и четыре обратных 62-65 диода, подсоединенных к общим точкам соединения анодов и катодов коммутирующих тиристоров 40-43, к другим выводам первичных обмоток коммутирующего трансформатора и к выводам его вторичной обмотки,

В состав тиристорного инвертора напряжения с искусственной коммутацией входит блок 66 управления тиристорами, включающий в себя узлы Ь7 - 820

Блок управления (фиг03) содержит регулятор 67 частоты, на вход которого подается сигнал задания Ц, распределитель 68 импульсов управления, соединенный входами с выходами регулятора частоты, выходами через усилительно-развязывающие элементы 69 с управляющими входами распределительных тиристоров 5, 6, 11, 12, 17 и 18, через логический элемент ИЛИ 70 с управляющими входами коммутирующих тиристоров 40 и 43, включающих первые по очередности перезаряда LC- цепи, через одновибратор 71, формирующий задержку (2/3), и усилительно-развязывающий элемент 74 с управляющими входами коммутирующих тиристоров 42 и 43, включающих вторые по очередности перезаряда LC-цепи, через однонибратор 72, формирующий задержку 2tT, и усилительно-развязывающие элементы 75 и 77 с управляющими входами зарядных тиристоров 44, 45, 53 и 54 через одновибраторы 73, формирующие задержку 7/bC и усилительно-развязывающие элементы 76 с управляющими входами тиристоров 7У управления, соединенных последова тельно с оптоэлектронными парами 80„ Выходы оптоэлектронных пар подсоединяются к одному из входов логических элементов ИЛИ 81. Вторые входы логических элементов подсоединяются через усилительно-развязывающие элементы 78 с выходами одновибраторов 72. Выходы логических элементов ИЛИ соединяются через усилительно-развязывающие элементы 82 с управляющими входами двухоперационных тиристоров 51 и 52,

Согласно диаграмме импульсов управления (фиг„2) тиристорный инвертор напряжения с искусственной коммутацией работает следующим образом

Предположим, что на интервале времени t0

tf включены главные тиристоры инвертора 3, 9 и 16 и ток нагрузки замыкается по цепям +1,3,22,24, 16,-1; +1,9,23,24,16,-. При этом конденсаторы LC-цепей узла принудительной коммутации заряжены полярностью напряжения с плюсом на правой обкладке. В момент времени t, выключают тиристор Зи Для этого включают тиристоры 5 и 40 и конденсатор .46 перезаряжав ся по цепи: 46,47,50,30,5, 3,31,58,40,46, вытесняя колебательным перезарядом ток из тиристора 30 В момент времени t| ток перезаряда конденсатора 46 становится равен току нагрузки, вследствие чего тиристор 3 выключается, и избыточный ток конденсатора 46 замыкается по контуру 46, 47,50,55,60,40. При этом напряжение первичной обмотки коммутирующего трансформатора (55) прикладывается к выключаемому тиристору 3 на время восстановления его вентильных свойств: плюс 55 прикладывается по цепи тиристора 6 к катоду тиристора 3, минус 55 через диоды 60 и 58 к аноду -тиристора 3„ При этом ток нагрузки замыкается по цепи: плюс источника питания 1,58,40,46,47,50,30,5,22,24,16 минус источника 1 питания0

В момент времени t со сдвигом, равным 2/3 полупериода колебательного

0

контура, образованного LC-цепями 4Ь, 47, 48, 49, включается тиристор 42, и ток нагрузки переводится из LC-це- пи 46, 47 в LC-цепь 48, 49 плюс 1,58

42,48,49,30,65,22,24,16 минус 1. Избыточный ток перезаряда конденсатора 48 замыкается по цепи: 48, 49, 55, 60, 42, 48, вследствие чего при перезаряде конденсатора 48 к тиристору 3 прикладывается падение напряжения обмотки 55 коммутирующего трансформатора„ В момент времени t3 конденсатор первой по очередности LC-цепи (4b,47J заr канчивает перезаряд и тиристор 40 восстанавливает вентильные свойства по цепи: 46,40,60,55,50,47,46.

В момент времени t4 избыточный ток перезаряда конденсатора 48 достигает

0 по величине тока нагрузки, вследствие чего ток в обмотке 55 коммутирующего трансформатора прекращается. При этом

на интервале

«ч если напряжение

0

на конденсаторе 48 ниже, чем напряже- 25 ние источника 1 питания, идет дозаряд конденсатора 48 током нагрузки. В момент ts когда напряжение на конденсаторе превышает напряжение на выходе моста 25 на величину напряжения, не- JQ обходимую для восстановления вентильных свойств коммутирующих тиристоров, включается тиристор 52 и избыточная энергия, запасенная в коммутирующем реакторе током нагрузки, канализируется в нагрузку по цегш:49, 5 5,22,24,16,36,52,49. При этом напряжение на конденсаторе 48 ограничивается на уровне, незначительно превышающим напряжение конденсатора 26 (см кривую U (jj фиг о 2) с.

Таким образом, избыточная энергия коммутации, запасенная в реакторе, канализируется не в фильтровой конденсатор источника питания, а в нагрузку 21. При этом возможна также канализация избыточной энергии коммутации не в нагрузку, а в источник 1 питания. Для этого одновременно с тиристором сброса включают обратный тиристор 7, и избыточная энергия, запасенная в реакторе, передается в источник 1 питания по контуру 49,30, 5,7,1,36,52,49

Таким образом, подключение двух- операционных тиристоров сброса позволяет канализировать избыточную энергию коммутации в нагрузку 21 или в источник 10

5

0

5

Согласно диаграмме управления (см0 фиг.2) в момент включения двухопера- ционного тиристора сброса подается импульс управления на обратный тиристор 8 и по мере спада тока нагрузки в реакторе 49 реактивная энергия, запасенная в фазе 225 замыкается по цепи: 22,24,16,8,220

В момент времени tfe ток в реакторе 49 падает до нуля и процесс выключения тиристора заканчивается В момент времени t включают зарядные тиристоры 44 и 54 и производят дозаряд конденсатора 46 по цепи: 26,32,44,46, 47,50,54,35,26 Одновременно с до- зарядом подают импульс управления на управляющий переход тиристора 52 и восстанавливают его по цепи управления Согласно диаграмме управления одновременно с импульсом управления на обратный тиристор подают импульс управления на очередной главный тиристор 4, При этом по окончании спада тока в обратном тиристоре 8 ток в фазе 22 меняет знак и замыкается по цепи: 1,9,23,22,4,1. На этом процесс выключения тиристора 3 заканчивается. Поскольку напряжение на конденсаторе 48 выше по окончании коммутации, чем напряжение источника 1 питания, то цепь, состоящая из вентилей 42, 58,5 выключается по контуру +48, 42,58,1,8,5,30,49,48. При этом для восстановления вентильных свойств тиристоров сброса отсутствует необходимое обратное напряжение, вследствие чего в момент времени t7 на двух- операционный тиристор 52 сброса дополнительно подают импульс управления и выключают его по цепи управления. При включении двухоперационных тиристоров сброса перезаряд конденсаторов 46 и 48 прекращается, а включение тиристоров возможно при достижении на конденсаторах 46 и 48 напряжения источника 1 питания„ Тогда начинается процесс выключения коммутирующих тиристоров (например 42), ЭДС реакторов меняет знак (минус на катоде тиристора 52) и создаются условия для включения двухоперационных тиристоров сбросао Поэтому, если источник питания на входе инвертора напряжения регулируемый и напряжение на входе инвертора мало, то двухопера ционные тиристоры сброса могут включаться прежде, чем напряжение на коммутирующих конденсаторах достигнет

0

напряжения источника питания, а это приводит к снижению коммутирующей способности УПК при очередной коммутации и к необходимости дозаряжать

коммутирующие конденсаторы цепью с регулируемым затуханием. Поэтому формирователь сигналов управления построен таким образом, что импульсы управления на двухоперационные тиристоры сброса подаются при достижении на конденсаторе 48 напряжения источника При этом, за время включения тиристора 52 (примерно равно 3 Ч 5 мкс) конденсатор 48 зарядится до напряжения, превышающего U 2t на величину Up, равную 40-100 В, необходимую для восстановления вентильных свойств распределительных и коммутирующих тиристоров о

Процесс выключения тиристоров катодной группы инвертора напряжения рассмотрим на примере выключения тиристора 16. Для выключения тиристора

5 16 в момент времени t, включают (см0 фиг.2) коммутирующий тиристор 43 и распределительный тиристор 18„ При этом ток нагрузки из тиристора 16 вытесняется колебательным перезарядом

Q тока конденсатора 48 по контуру:48, 43,59,16,18,50,49,48, В момент спада тока в тиристоре 16 до нуля избыточный ток перезаряда конденсатора 48 замыкается по контуру: 48,43,61,56, 50,49,48, создавая на обмотке коммутирующего трансформатора 56 необходимое для восстановления вентильных свойств тиристоров 16 обратное напряжение, прикладываемое по цепи:

0 плюс 56 через Ь1,59, к катоду 16, минус 56 через 18 к аноду 16„ В момент включаются тиристор 41 и конденсатор 46 разряжается по цепи: 46, 41,,47,46. В момент времени t

5 избыточный ток перезаряда 46 становится равен току нагрузки, вследствие чего ток в обмотке 5Ь коммутирующего трансформатора прекращается и конденсатор 46 перезаряжается током нагрузки по контуру: плюс 1,9,23,24, 18,47,46,41,59 минус . В момент t n, когда напряжение на конденсаторе достигает напряжения источника питания УПК, включается двухоперационный тиристор 51 сброса,, При этом энергия, запасенная током нагрузки в реакторе 47, при включении тиристора 51 передается в нагрузку по цепи: 47,51,9,23, 24, 18, 47. При включении дополнитель5

0

но обратного тиристора 19 энергии, запасенная в реакторе, может передаваться в источник питания по контуру 47,51,1,20,18,47 В момент времени t ток в реакторе 47 и в конденсаторе 46 спадает до нуля, и процесс коммутации заканчивается,, В момент времени t f4 включают зарядные ти- ристоры 53 и 45 и осуществляют доза- ряд первого по очередности перезаряда конденсатора 48 по цепи: 26,53, 50,49,48,45,26. В момент времени t,5 (см,) процесс дозаряда заканчивается. Из описания работы устройств следует, что избыточная энергия, запасенная током нагрузки в реакторе, передается без промежуточных преобразований в нагрузку 25 или источники 3 и таким образом улучшаются энергетические показатели предлагаемого устройства.

Блок управления тиристорами согласно диаграмме (см0фиг04) работает следующим образом

С выхода регулятора 67 частоты на входы распределителя импульсов 68 управления поступают положительные и отрицательные, нормированные и сдвинутые во времени импульсы управления +ил, +и6, -шс, -ил, -ив, -ис,

равные по Длительности полупериоду выходной частоты устройства

По задним фронтам этих импульсов распределитель 68 формирует импульсы поступающие на элемент 69 „ С выхода элемента 69 импульсы управления поступают на распределительные тиристоры 6, 11, 17 анодной и на тиристоры 6, 12, 18 катодной группы, с выхода элемента 70 - на коммутирующий тиристор 40 первой LC-цепио Одновиб- ратор 71 формирует импульс, равный по длительности интервалу времени ta - t3„ По заднему фронту импульса элементы 71 и 74 формируют импульс, поступающий на коммутирующий тиристор 42 второй по очередности перезаряда LC-цепио

Одновибратор 73 формирует импульс по длительности, равный 5С/6 (где YLC - собственный период колебательного контура, образованный LC-цепями 46,47 или 48,49) ,поступающий на элементы 76 и выдающий импульс управления на тиристор 79 управления. Пока напряжение на конденсаторе 48 ниже,чем напряжение на конденсаторе 26 (см.фиг.1), тиристор 79 заперт, вследствие чего не включается двухоперационный тиристор 51 сброса, В момент времени, когда напряжение . на конденсаторе 48 сравняется с напряжением конденсатора 26, начинается процесс включения тиристора 42 и включения тиристора 79. При включении тиристора 79 сигнал с оптоэлектронной пары 80 подается на элемент ИЛИ 81 и с выхода элемента 82 импульс управления подается на двухоперационный тиристор 52 сброса. Таким образом, независимо от тока на5 грузки импульсы управления на двух- операционные тиристоры сброса подаются в момент достижения на конденсаторе 48 напряжения, превышающего напряжение конденсатора 26. С интервалом

0 времени, равным по длительности t1-t7 или 2Ј, одновибратор 72 подает импульсы управления на усилительные развязывающие элементы 75,77,78, которые включают зарядные тиристоры 44,

3 54, в результате чего осуществляется дозаряд первой LC-цепио Кроме того, элемент 78 выдает импульс управления на элемент ИЛИ 81 и элемент 82 подает отрицательный импульс управления

0 на тиристор 52 и восстанавливает его вентильные свойства по цепи уп- равлениЯа

Формула изобретения

Тиристорный инвертор напряжения с искусственной коммутацией, содержащий главные, обратные и распределительные тиристорные мосты, объедикен0 нь е соответственно по выводам пере- менного, причем мосты главных и обратных тиристоров объединены по выводам постоянного тока и подсоединены к ос- новньгм шинам питания, однофазный ти5 ристорный мост с фильтровым конденсатором на выходе, входом подключенный к питающей сети, две пары согласно последовательно включенных коммутирующих тиристоров, подсоединенных общиQ ми точками соединения анодов и катодов к выходным шинам однофазного тиристорного моста через встречно включенные развязывающие диоды, два разрядных и четыре обратных диода, подсоединенных своими соответствующими выводами к упомянутым выше общим точкам соединения анодов и като- . дов коммутирующих тиристоров, две последовательно включенные через

111

делительный диод коммутирующие LC-це- пи, состоящие из последовательно сое- ииненных коммутирующих конденсаторов и реакторов, подключенные своими выводами к соответствующим точкам соединения коммутирующих тиристоров каждой пары, две пары встречно последовательно включенных анодами и катодами зарядных тиристоров, подсоединен- ных общими точками соединения анодов и катодов к выходным шинам однофазного тиристорного моста, а другими анодами и катодами - к соответствующим выводам LC-цепей, коммутирующий трансформатор, подсоединенный своими соответствующими выводами двух первиных и вторичной обмоток к выводам постоянного тока моста распределительных тиристоров, к выводам разрядных и возвратных диодов, а также к разделительному диоду, двух тиристоров управления, подсоединенных одними соответствующими выводами к общим точкам соединения пар коммутирующих конденсаторов и реакторов, два диода связи, соединяющие общие точки соединения анодов и катодов коммутирующих тиристоров и основные шины питания, блок управления тиристорами, содержащий регулятор частоты, формирующий согласно заданию последовательности прямоугольных положительных U и отрицательных U . нормированных и сдвинутых во времени импульсов, где j - фазный индекс, распределитель импульсов управления, содиненный входами с выходами регулятора частоты, формирующий по передним фронтам импульсов 1Ь и U: выходные ипульсы, определяемые следующими выражениями:

1

F,-F.

1 F4

UA

ЧГ.

Fa

,

u

c«

L3

F,

ю

U

б

F „,-Ur

Г2

С

по задним фронтам импульсов 1Ь и U: выходные импульсы, определяемые следующими выражениями:

F

Н

U

6

If

и

It

и°

/ч

. F

ч

U

о

а также выходные импульсы, определяемые логическими выражениями:

12

U

, +

и

с

F,.U4 +U e

+Uf

и выходные импульсы с задержкой

at,-2/3C: .F -F Ct-dt,) с задержкой

dt, , (t-dt7) и F,«-Fte(t-4tt)v

с задержкой I

at3 7/6U: Fw«Ff, (t-dta) и F (t-Ats),

5

0

5

где Ft - F( - логические выражения, определяющие управление главными тиристорами, F 7 F 1г- обратными, F 15 Ff. - распределительными, F, - коммутирующими тиристорами первой по очередности перезаряда LC-цепи, F г1 и коммутирующими тиристорами второй по очередности перезаряда LC- цепи, - зарядными тиристорами и F г, F tk - тиристорами управления, а управляющие входы соответствующих тиристоров связаны с выходами распределителя импульсов управления, где - длительность перезаряда коммутирующего контура, образованного одной LC-цепью с коммутирующими и разрядными диодами, отличаю0 щ и и с я тем, что, с целью улучшения энергетических показателей путем канализации избыточной энергии коммутации в нагрузку или в источник постоянного напряжения, он дополнительно снабжен двумя двухоперацион- ными тиристорами сброса, соответствующие выводы которых подсоединены к общим точкам соединения конденсаторов и реакторов коммутирующих LC-цепей и к основным шинам питания, а в блок управления тиристорами дополнительно введены две оптоэлектронные пары, соответствующие входные выводы которых подсоединены к выходам шинам

5 однофазного тиристорного моста и к другим выводам упомянутых тиристоров управления, два логических элемента типа ИЛИ, входные выводы которых подсоединены к выходным выводам соот0 ветствующих оптоэлектронных пар и тем выходам распределителя импульсов, которые обеспечивают формирование импульсов управления, в соответствии с упомянутыми выражениями и FH..

5

0

Ч/

w.tr

fit

ДА

-&4 tffl U70 U Л U72 U73

U74,7W

и„

U82

ФигА