Узел коммутации вентиля трансформаторно-ключевого преобразователя Советский патент 1991 года по МПК H02M1/08 

«, Ь/ЮАЛД УУММУУУУУ УУУ М И.

i4 ь . -t} .. i5 i -t -to. in -tit ix

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в преобразователях частоты или напряжения, прерывателях и выключателях переменного тока. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет расширения диапазона рабочих частот преобразователя. Устройство содержит вентиль 1, первый 2 и второй 3 коммутирующие тиристоры, первый 7 и второй 8 коммутирующие конденсаторы, подзаряд- ный тиристор 9, зарядный автотрансформатор 4 и два зарядных диода 5 и 6. Узел коммутации может работать в коммутируемых цепях переменного тока без источника заряда коммутирующих конденсаторов 7 и 8. Контроль уровня напряжения на коммутирующем конденсаторе 7 осуществляется пороговым устройством, а логическая часть системы управления обеспечивает подачу импульсов управления на коммутирующие 2 и 3 и подэарядный 9 тиристоры и в зависимости от уровня напряжения на коммутирующем конденсаторе 8 одновременно выполняет роль коммутирующего и накопительного. 3 ил. W г Ё

Hat

«я

Ил fit

u

0

n

Os

00

CO

Ј

CO

J.Л

фиг.З

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для коммутации управляющих обмоток трансформаторно-ключевых преобразователей частоты, реализующих значительные выходные токи, з также в полупроводниковых прерывателях и выключателях переменного тока,

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет расширения диапазона рабочих частот преобразователя,

На фиг.1 представлена функциональная схема силовой части узла коммутации; на фиг.2 - схема управления; на фиг.З - време- ные диаграммы напряжений, иллюстрирующие работу устройства.

Узел коммутации вентиля 1 содержит первый 2 и второй 3 коммутирующие тиристоры, катоды которых связаны между собой и соединены с отводом обмотки зарядного автотрансформатора 4, начало обмотки которого подключено к аноду первого зарядного диода 5, второй зарядный диод б, первый 7 и второй 8 коммутирующие конденсаторы, подзарядный тиристор 9 и однофазный диодный мост 10, зажимы 11 переменного тока которого являются входом устройства. Катод первого зарядного диода 5 соединен с анодами первого коммутирующего тиристора 2 и второго зарядного диода 6, катодом подзарядного тиристора 9 и первой обкладкой первого коммутирующего конденсатора 7. Катод второго зарядного диода 6 соединен с анодами второго коммутирующего тиристора 3 и подзарядного тиристора 9, а также с первой обкладкой второго коммутирующего конденсатора 8. Однофазный мост 10 минусовым зажимом подключен к концу обмотки зарядного автотрансформатора 4, а плюсовым зажимом - к точке соединения анода вентиля 1 и вторых обкладок первого 7 и второго 8 коммутирующих конденсаторов,

Управляющая часть узла коммутации (фиг.2) состоит из блока 12 управления, имеющего выход. 13 широких импульсов и вход 14 узких импульсов, ; а также порогового устройства 15, входим подключенного параллельно первому коммутирующему конденсатору 7, инвертора 16, основного элемента 2И 17, узла 18 задержки фронта, первого формирователя 19 узких импульсов, второго формирователя 20 узких импульсов, первого дополнительного элемента 2И 2, счетного триггера 22, инвертора 23, второго дополнительного элемента 2И 24 и третьего дополнительногоэлемента 2И 25. Выход 13 широких импульсов блока 12 управления соединен с управляющим электродом вентиля 1, выход первого дополнительного элемента 2И 21 подключен к управляющему электроду подзарядного тиристора 9, выход второго формирователя 20 соединен с управляющим электродом второго коммутирующего тиристора 3, а выход третьего дополнительного элемента 2И 25 - с управляющим электродом первого коммутирующего тиристора 2. Узел ээдерж- 0 ки фронта 18 и формирователи 19 и 20 узких импульсов могут быть построены по схеме одновибратора или схеме укорочения импульсов.

На фиг.З изображены временные диаг- 5 раммы напряжений:

Un - напряжение на входе узла коммутации, зажимы 11;

Ui2,13- напряжение на выходе 13 широких импульсов блока 12 управления; 0 U12.14 напряжение на выходе 14 узких импульсов блока 12 управления;

напряжение на первом коммутирующем конденсаторе 7, т.е. на входе порогового устройства 15;

5Uis - напряжение на выходе порогового

устройства 15;

Uie напряжение на выходе инвертора 16;

Ui - напряжение на выходе элемента 0 2И 17;

UIB - напряжение на выходе узла 18 задержки фронта;

Ui9 - напряжение на выходе первого формирователя 19 узких импульсов; 5 U22 - напряжение на прямом выходе счетного триггера 22;

Uai - напряжение на выходе элемента 2И 21, т.е. на управляющем электроде под- зарядного тиристора 9;

0 Ое - напряжение на втором коммутирующем конденсаторе 8;

U22.2 - напряжение на инверсном выходе счетного триггера 22;

U24 - напряжение на выходе элемента 5 2И24;

U20 - напряжение на выходе второго формирователя 20 узких импульсов, т.е. на управляющем электроде второго коммутирующего тиристора 3;

0 U23 - напряжение на выходе инвертора 23;

U25 - напряжение на выходе элемента 2И 25, т.е. на управляющем электроде первого коммутирующего тиристора 2. 5 Узел коммутации (фиг. 1 и 2) в соответствии с диаграммами напряжений (фиг.З) работает следующим образом.

Так как пуск устройства (первое включение вентиля 1) осуществляется при напряжении на зажимах постоянного тока

однофазного моста 10, равном Кмакс (момент времени to, фиг.З), то первый 7 и второй 8 коммутирующие конденсаторы зарядятся до максимального значения с полярностью, указанной на фиг.1 без скобок (положительные значения на графиках U, Us), напряжением, индуктированным на верхней полуобмотке зарядного автотрансформатора 4 за счет протекания рабочего тока по нижней полуобмотке этого транс- форматора. Фиксация напряжения на конденсаторах 7 и 8 с указанной полярностью осуществляется с помощью первого 5 и второго 6 зарядных диодов соответственно.

Включение вентиля i осуществляется широкими импульсами Ui2.i3, которые поступают с выхода 13 блока 12 управления. Длительность импульсов Ui2.13 соответствует длительности включенного состояния вентиля 1. Так как прямое сопротивление диодов однофазного моста 10, вентиля 1 и нижней полуобмотки зарядного автотрансформатора 4 намного меньше сопротивления коммутируемой цепи (например, управляющей обмотки трансформаторно- ключевого преобразователя), то эта цепь окажется практически закороченной.

Размыкание коммутируемой цепи про; изводится закрыаанием вентиля 1. Управляющие узкие импульсы для закрывания вентиля 1 генерируются блоком 12 управления в моменты времени, соответствующие моментам окончания широких импульсов, и поступают с выхода 14 указанного блока 12 (график U12.14, фиг.З). Распределение им- пульсов U12.14 на управляющие электроды коммутирующих тиристоров 2 и 3 осуществляется в зависимости от величины напряжения на первом коммутирующем конденсаторе 7 (с полярностью без скобок, фиг.1; положительные значения на графике U фиг.З) относительно порогового уровня, Так как к моменту времени ti его напряжение U превышает пороговый уровень Unop, то на выход порогового устройства 15 прои- дет импульс Uis- имеющий длительность, равную длительности U, T.e.srO - ti. В этом случае на выход третьего элемента 2И 25 пройдет узкий импульс U25. так как к моменту ti на первом входе этого элемента будет высокий логический уровень IJ23, а на втором входе - также высокий логический уровень U12.14. К моменту времени t сигнал на выходе элемента 2V 21 (U2i), так как на первом входе этого элемента будет низкий логический уровень Dig. К этому же моменту времени ti будет равен нулю сигнал на выходе второго формирователя 2, узких им- лульсоз (U20), так как этот формирователь формирует узкий импульс Uao по спаду широкого импульса U24, поступившего на его вход,

Таким образом, управляющие импульсы на втором коммутирующем тиристоре 3 и подзарядном тиристоре 9 будут отсутствовать, а на управляющий электрод первого коммутирующего тиристора 2 поступит управляющий сигнал и тиристор откроется. Произойдет надежное закрывание вентиля 1 (так как ). и первый коммутирующий конденсатор 7 перезарядится в с полярностью, указанной в скобках на фиг.1 (отрицательные значения на графике U, интервал времени ti - t2, фиг.З) по цепи - нижняя обмотка трансформатора 4, мост 10, тиристор 2, до напряжения, определяемого значением Un в момент времени ti. Второй коммутирующий конденсатор 8 в это время будет сохранять свое максимальное напряжение (полярность без скобок) Us. С приходом очередного широкого импульса U12.13 в момент t2 включится вентиль 1, перезарядится конденсатор 7 с полярностью без скобок и процессы будут повторяться до момента 1$. В этот момент времени включится вентиль 1 и первый коммутирующий конденсатор 7 не получит достаточной энергии для коммутации из-за низкого значения напряжения Un. В результате напряжение U будет ниже порогового уровня Unop и на выходе порогового устройства 15 будет низкий логический уровень Uis,a на выходе инвертора 16 - высокий логический уровень U16. При этом на выход элемента 2И 17 должен пройти широкий импульс U17, фронт которого будет задержан на некоторый интервал времени г узлом 18 задержки фронта, а по переднему фронту Uie будет сформирован импульс Uig с помощью первого формирователя 19, который поступит на первый вход первого элемента 2И 21. На второй вход элемента 2И 21 также поступает высокий логический уровень U22.1 с прямого выхода счетного триггера 22.

Таким образом, на выходе элемента 2И 21 формируется импульс U21 и подается на управляющий электрод подзарядного тиристора 9, который открывается. Первый 2 и второй 3 коммутирующие тиристоры в это время закрыты, так как на их управляющих электродах сигналы отсутствуют.

После открытия подзарядного тиристора 9 в момент времени (м + г ) первый коммутирующий конденсатор 7 дозарядит- ся от второго коммутирующего конденсатора 8, на котором хранилось максимальное напряжение с полярностью без скобок (фиг.1. график Us на фиг.З).

В результате доздрядз напряжения на обоих конденсаторах сравняются и будут иметь величину

U Us ( + Си Ueo)/(C7 + Св)„, где , USD напряжения на конденсаторах 7 и 8 к моменту включения подзарядного тиристора 9 (t4 -ь Ј }, причем UBO - Омакс

С и Cs - емкость конденсаторов 7 и 8.

Если, например, С Сз, то

Uy Us + Ueo / 2 т.е. оба конденсатора будут готовы к последующей коммутации, так как напряжение на каждом из них будет иметь величину не менее 0.5 Uмакс.

8 момент времени ts на выход третьего элемента 2И 25 пройдет узкий импульс на включение первого коммутирующего тиристора 2 и произойдет закрывание вентиля 1 за счет энергии первого конденсатора 7 (процесс будет протекать аналогично моментам времени ti и 13}.

-В момент времени те первый коммутирующий конденсатор 7 повторно не получит достаточной для коммутации энергии (U Unop). В этом случае на выходе порогового устройства 15 будет низкий логический уровень, из аыходе инвертора 16 - высокий логический уровень, на выход элемента 2И 17 пройдет широкий импульс Ui. а первым формирователем 19 узких импульсов будет сформирован импульс Uig. Однако, на выход первого элемента 2И 21 и управляющий электрод подзарядного тиристора 9 импульс U19 не поступит, так как на втором входе элемента 2И 21 будет низкий логический уровень U22.1. При ts t t широкий импульс .i3) пройдет на выход второго элемента 2И 24, так как на первом входе этого элемента будет высокий логический уровень U22.2, поступивший с инверсного выхода 22.2 счетного триггера 22. По заднему фронту импульса IJ24 вторым формирователем 20 узких импульсов будет сформирован узкий импульс Uao (t ;), который поступит на управляющий электрод второго коммутирующего тиристора 3. Тиристор 3 включится, и произойдет надежная коммутация вентиля 1 зз счет энергии второго коммутирующего конденсатора 8. Узкий импульс 012.14 с выхода 14 блока 20 на выход третьего элемента 2И 25 не пройдет, так как на перворл входе этого элемента будет низкий логический уровень U23, т.е. с первого коммутирующего тиристора 2 будет снят управляющий импульс.

Второй коммутирующий конденсатор 8 перезарядится с полярностью в скобках {фиг.1, отрицательные значения на графике Us, филЗ) по цепи: плюс моста 10 - конденсатор Се - тиристор 3 - нижняя обмотка трансформатора 4 - минус моста 10,

Первый коммутирующий конденсатор 7 сохраняет неизменное напряжение U Unop

на интервале te ts.

С приходом очередного широкого импульса Ui2.t3 с выхода 13 блока 12 управления в момент времени t ts включится вентиль 1, первый конденсатор 7 дозарядитСи до напряжения U Unop за счет тока, протекающего по нижней обмотке трансформатора 4, а второй конденсатор 8 перезарядится до такого же напряжения. На i интервале ta - ti2 будет происходить надежпая коммутация вентиля 1 за счет энергии первого конденсатора 7, так как напряжение на его обкладках будет принимать значения . Второй конденсатор 8 будет сохранять напряжение либо дозаряжаться

до Ов U такс, например при t tio.

Работа узла коммутации на интервале ti2 - tis будет происходит аналогично интервалу т.4 - ts.

Для наглядности при t 112 показан однократный провал U Unop. В этом случае 8 работу вступит только подзар ядный тиристор 9, дозарядится первый конденсатор 7

и произойдет надежная коммутация. Из-за отсутствия повторного провала U Unop второй тиристор 3 и второй конденсатор 8 в работу не вступают, а конденсатор 8 доза- ряжается до UMBKC в момент времени tis, tie.

При t ti4 коммутация вентиля 1 происходит а той же последовательности,

Трансформаторно-ключевой преобразователь с предлагаемым узлом коммутации, использующийся для питания обмоток

электромагнитного перемешивания металлического расплава (электронно-лучевая вакуумная плавка), позволит за счет расширенного плавно регулируемого частотного диапазона повысить качество отливок и сократить отходы.

Формула изобретения Узел коммутации-вентиля трансформа- торно-ключевого преобразователя, управляющий электрод которого предназначен для соединения с выходом широких импульсов блока управления, снабженного также выходом узких импульсов, соответствующих моментам окончания широких импульсов, содержащий два коммутирующих тиристора, катоды которых предназначены для соединения с катодом вентиля, два зарядных диода, причем катод первого зарядного диода соединен с первой обкладкой первого коммутирующего конденсатора и

общей точкой анодов второго зарядного диода и первого коммутирующего тиристора, катод второго зарядного диода соединен с первой обкладкой второго коммути- рующе- го конденсатора и анодом второго коммутирующего тиристора, зарядный автотрансформатор, начало обмотки которого подключено к аноду первого зарядного диода, отвод обмотки предназначен для соединения с катодом вентиля, однофазный диодный мост, отрицательный вывод которого соединен с концом обмотки зарядного автотрансформатора, а положительный - с точкой соединения вторых обкладок первого и второго коммутирующих конденсаторов и предназначен для соединения с анодом вентиля, выводы переменного тока диодного моста использованы как вход узла коммутации, пороговое устройство, входом подключенное параллельно первому коммутирующему конденсатору, ,а выходом - к входу первого инвертора, выход которого соединен с первым входом основного элемента 2И, второй вход которого предназначен для соединения с выходом широких импульсов блока управления, первый формирователь узких импульсов, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет расширения диапазона рабочих частот преобразователя, введены подзарядный

тиристор, узел задержки фронта, второй формирователь узких импульсов, счетный триггер, второй инвертор и три дополнительных элемента 2И, причем катод подзарядного тиристора соединен с катодом первого зарядного диода, анод - с катодом второго зарядного диода, выход основного элемента 2И через последовательно соединенные узел задержки фронта и первый

формирователь узких импульсов соединен с первым входом первого дополнительного элемента 2И, второй вход которого соединен с прямым выходом счетного триггера, вход которого соединено входом основного

элемента 2И, а инверсный выход-с первым входом второго дополнительного элемента 2И, второй вход которого соединен с входом узла задержки фронта, выход - с входом второго формирователя узких импульсов,

выход которого соединен с управляющим электродом второго коммутирующего тиристора и входом второго инвертора, выход которого соединен с первым входом третьего дополнительного элемента 2И, второй

вход которого предназначен для соединения с выходом узких импульсов блока управления, а выход-с управляющим электродом первого коммутирующего тиристора, выход первого дополнительного элемента 2И соединен с управляющим электродом подзз- рядного тиристора.