Способ распределения тока между вентилями управляемого многофазного статического преобразователя Советский патент 1992 года по МПК H02M7/48 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано преимущест- венно в управляемых многофазных преобразователях электрической энергии, допускающих кратковременные рабочие перегрузки потоку, например, в преобразователях для электропривода и возбуждения мощных синхронных машин.

Известны способы распределения тока между вентилями управляемых многофазных статических преобразователей, заключающиеся в установлении одинаковой длительности проводящего состояния вентилей путем подачи к ним импульсов управления в равноотстоящие друг от друга моменты времениЙЙ:,

Наиболее близким к предлагаемому яв- ля ётся способ распределения тока между вентилями управляемого многофазного статического преобразователя путем его несимметричного регулирования 2, заключающийся в установлении заданной длительности проводящего состояния вентилей путем подачи к ним импульсов управления Б заданные моменты времени. В результате обеспечивается различная длительность проводящего состояния вентилей различных фа-, что приводит к существенному улучшению энергетических показателей преобразователя.

В то же время в силу существенной разницы в токовой загрузке вентилей эффек- Ti/TBlTocfbТТсгГол ь з6Ґания по току

XI

О

ы

о о

значительной их части невелика. Эта эффективность еще ниже в преобразователях, допускающих кратковременные рабочие перегрузки по току, так как при их создании приходится завышать номинальные токи вентилей либо применять параллельное их включение, что приводит к существенной их недогрузке по току в течение длительного времени их работы. , ,.

Целью изобретения является повыше- ние эффективности использования вентилей по току. t |

Поставленная цель достигается тем, что путем подачи к вентилям импульсов управления в заданные моменты времени устанавливают заданную длительность их проводящего состояния, контролируют выходной ток преобразователя, на время пре- вышения которым его номинального значения к определенному количеству фаз подключают заданное число резервных параллельных вентилей, одновременно с этим в других оставшихся фазах преобразователя уменьшают длительность проводящего состояния вентилей на величину, выбранную исходя из нижней границы, соответствующей предельной тепловой нагрузке этих вентилей и верхней, соответствующей одинаковой тепловой нагрузке вентилей всех фаз.

На фиг.1 приведен вариант блок-схемы, реализующей предложенный способ рас- пределения тока между вентилями трехфаз- ного мостового статического преобразователя; на фиг.2 - пример реализации элемента задержки; на фиг.3...10 - временные диаграммы токов анодной труп- пы вентилей преобразователя и средней температуры полупроводниковой структуры наиболее нагретого вентиля в нормальном режиме работы преобразователя (фиг.З), в режиме рабочей перегрузки преоб- разователя при реализации способа 1 (фиг.4), в режиме рабочей перегрузки преобразователя при введенных в каждой фазе резервных параллельных вентилях и реализации способа 1 (фиг.5), в режиме рабочей перегрузки преобразователя при введенных в фазе А резервных параллельных вентилях и реализации способа 1 (фиг.6), в режиме рабочей перегрузки преобразователя и реализации способа 2 (фиг.7), в ре- жиме рабочей перегрузки преобразователя при введенных в каждой фазе резервных параллельных вентилях и реализации способа 2, в режиме рабочей перегрузки преобразователя и реализации предлагаемого способа (фиг.9, 10).

Блок-схема содержит трехфазный мостовой полупроводниковый преобразователь 1 с включенными в катоднь,с -л анодные плечи фаз А,В,С моста соответственно тиристорами 2,3; 4,5 и 6,7 и тиристорами 8,9, подключенными параллельно соответственно тиристорам 2,3 фазы А. Выход преобразователя 1 через датчик 10 его выходного тока подключен к нагрузке 11. Устройство содержит также систему импульсно-фазово- го управления (СИФУ) 12 преобразователем, у которой первый выход непосредственно и через управляемый ключ 13 подключен к управляющим электродам соответственно тиристоров 2 и 8, второй выход непосредственно и через управляемый ключ 14 подключен к управляющим электродам соответственно тиристоров 3 и 9, выходы с третьего по шестой соответственно через элементы задержки 15...18 подключены к управляющим электродам соответственно тиристоров 4...7. В блок-схему входит также компаратор 19, второй вход которого подключен к выходу источника 20 сигнала, пропорционального заданному выходному току преобразователя, а первый вход подключен к выходу датчика тока 10. Выход компаратора 19 подключен к управляющим входам ключей 13,14 и элементов задержки 15... 18.

Каждый элемент задержки 15...18 (фиг.2) состоит из управляемого ключа 21, вход и выход которого является входом и выходом элемента задержки, компаратора 22, первый вход которого является управляющим входом элемента задержки, и генера- тора 23 линейно нарастающего напряжения, пусковой вход которого подключен к входу ключа 21. Выход генератора 23 подключен к второму входу компаратора 22, выход которого, в свою очередь, подключен к управляющему входу ключа 21,

Блок-схема (фиг.1) работает следующим образом.

В нормальном (без перегрузки) режиме работы преобразователя 1 сигнал, формируемый источником 20, превышает выходной сигнал датчика тока 10 и на выходе компаратора 19 сигнал не формируется. В результате ключи 13,14 закрыты, то есть импульсы управления от СИФУ 12 к тиристорам 8,9 не поступают и они закрыты. Кроме того задержка импульсов управления элементами 15... 18 не осуществляется и они беспрепятственно поступают от СИФУ 12 к тиристорам 4...7. Таким образом преобразователь 1 работает как известный трехфазный мостовой преобразователь с симметричным управлением 1,

В режиме рабочей перегрузки преобразователя при превышении выходным сигналом датчика тока 10 сигнала, формируемого

источником 20, на выходе компаратора 19 венства средней температуры полупровод- формируется сигнал, который открывает никовой структуры наиболее нагретого из ключи 13, 14 и тем самым обеспечивается тиристоров 2...9 допустимой температуре беспрепятственное прохождение (принята равной 115°С), и составило 7840 А. сов управления от СИФУ 12 к тиристорам 5 Верхняя и нижняя границы уменьшения 89. Этот же сигнал, поступая в элеметнты ЖйтТелШо т1П| о°в я1деШ стоя ниятири- задержки 15...18, приводит к осущест л а и т р оТ 77 при перегрузке определялись из нию фиксированных задержек в поступяе- л ус7Говий соответственно равенства тепло- нии импульсов управления от СИФУ 12 к вых нагрузок всех тиристоров 2...9 и равен- тиристорам 4...7. При этом задержка по- 10 ствасРедЛЈЭ « темпеРатУРы

ступления импульсов управления к тирийтЬ- пШуТЩво ШЗШШЪТруктуры наиболее нарам 4,5 осуществляется в два раза более гретого из тиристоров 2...9 допустимой ве- длительная чем к тиристорам 6,7, что ус т1Г- 71йчйне (115°С) и составили соответственно

навливается заданием соответствующих скоростей нарастания линейноизменяюще- 15 гося напряжения, формируемого генераторами 23, соответствующих элементо в задержки 15...18. В результате в плечах фазы А преобразователя 1 начинают параллельно работать соответственно тиристоры 20 2,8 и 3,9, длительность проводящего состояния которых за период больше чем у тиристоров 4...7 фаз В и С на величину задержки поступления импульсов управления 0Y

0,0012 с и 0,00063 с. В соответствии с ними моделировались граничные значения длительностей задержек импульсов управления тириёто рами, осуществляемых элементами задержки 15,16, соответственно 0,0048 с и 0,00252 с и элементами задержки 17,18 соответственно 0,00024 и 0,00126 с. Результаты анализа отражены на фиг.З ..10, где кривые 24,25.26 - импульсы тока соответственно тиристоров 3,5,7, кривая 27 - средняя температура полупроводСИФУ12 к тиристорам 4,5. Тем самым обес- 25 никовой структуры наиболее нагретого из

печивается частичная разгрузка по среДйе - му току тиристоров 4...7 за счет дополнительной нагрузки плеч преобразователя 1 с тиристорами 2,8 и 3,9, а значит в меньший нагрев полупроводниковой структуры тиристоров преобразователя, чем в случае распределения тока между ними по известным способам 1,2. Поэтому применение предлагаемого способа позволяет загружать тиристоры в нормальном режиме работы преобразователя большим по величине током, то есть использовать их более эффективно чем и заключается преимущество предлагаемого способа перед известными.

Для количественной оценки эффекта, получаемого в результате применения предлагаемого способа на математической модели проанализированы тепловые режимы работы тиристоров 2.. 9 в преобразователе 1, питающемся от сети промышленной частоты в нормальном режиме его работы и режиме рабочей перегрузки при реали1а- ции известных и предлагаемого способов Номинальный выпрямленный ток преобра- 50 зователя принимался равным 4000 А, кратность тока рабочей перегрузки - 2,25, ее длительность-20 с. Анализ проводился для тиристоров 2...9 типа Т173-2000 с двухсто-

°тЙ1рйсто(}6в 2...9.

Анализ кривых на фиг.З...10 позволяет сделать спедующие выводы.

Если применить известный способ 1 то в режиме рабочей перегрузки преобразователя температура структуры его тиристо- ро в составит 133°С (фиг 4), что больше допустимой (115°С). Введение резервных параллельных тиристоров 8,9 эффекта не даст, так как по прежнему структура тиристоров 4.. 7 будет греться до 133°С (фиг.6). Обеспечить работоспособность преобразователя при реализации способа 1 возмож- йо только путем введения резервных параллельных тиристоров во все плечи преобразователя, что приведет к снижению температуры до 72°С (фиг 5). Но при этом существенно ухудшаете технико-экономи- чёсТие показатели преобразователя. При- 45 менение способа 2 еще в большей степени усугубляет ситуацию, так как из-за несимметричного управления тиристоры 2,3 до30

35

40

полнительно нагреваются и температура их структуры должна была бы подняться до 171°С (фиг.7) Сделать ее ниже допустимой опять таки возможно только путем введения резервных параллельных тиристоров во всех плечах треобразователя (фит.8). При- менечиё же пррдлҐга емого способа позворонним водяным охлаждением (температ Г 55 ляет обеспечить температуру структуры

рой охлаждающей воды принималась равной 35°С) Значение выходного тока прё образователя 1, при котором выходной сигнал датчика тока 10 равен сигналу от источника 20, определялось из условия ра0,0012 с и 0,00063 с. В соответствии с ними моделировались граничные значения длительностей задержек импульсов управления тириёто рами, осуществляемых элементами задержки 15,16, соответственно 0,0048 с и 0,00252 с и элементами задержки 17,18 соответственно 0,00024 и 0,00126 с. Результаты анализа отражены на фиг.З ..10, где кривые 24,25.26 - импульсы тока соответственно тиристоров 3,5,7, кривая 27 - средняя температура полупроводниковой структуры наиболее нагретого из

никовой структуры наиболее нагретого из

°тЙ1рйсто(}6в 2...9.

Анализ кривых на фиг.З...10 позволяет сделать спедующие выводы.

Если применить известный способ 1 то в режиме рабочей перегрузки преобразователя температура структуры его тиристо- ро в составит 133°С (фиг 4), что больше допустимой (115°С). Введение резервных параллельных тиристоров 8,9 эффекта не даст, так как по прежнему структура тиристоров 4.. 7 будет греться до 133°С (фиг.6). Обеспечить работоспособность преобразователя при реализации способа 1 возмож- йо только путем введения резервных параллельных тиристоров во все плечи преобразователя, что приведет к снижению температуры до 72°С (фиг 5). Но при этом существенно ухудшаете технико-экономи- чёсТие показатели преобразователя. При- менение способа 2 еще в большей степени усугубляет ситуацию, так как из-за несимметричного управления тиристоры 2,3 до

полнительно нагреваются и температура их структуры должна была бы подняться до 171°С (фиг.7) Сделать ее ниже допустимой опять таки возможно только путем введения резервных параллельных тиристоров во всех плечах треобразователя (фит.8). При- менечиё же пррдлҐга емого способа позволяет обеспечить температуру структуры

наиболее нагретого из тиристоров 2.. 9 в пределах от допустимой (115°С) (фиг.9) до 98°С (фиг, 10), вводя параллельные резервные тиристоры только в одной фазе преобразователя, что говорит о более высоком

коэффициенте использования тиристоров по току, чем при реализации известных способов

Применение предлагаемого способа, в конечном счете, приведет к снижению необходимого числа вентилей в преобразователе либо к увеличению срока его службы, либо к установке в преобразователе менее дорогих вентилей на меньшие номинальные токи.

Формула изобретения Способ распределения тока между вентилями управляемого многофазного статического преобразователя, заключающийся в том, что устанавливают заданную длитель ность проводящего состояния вентилей,

л ОС

подают на них импульсы управления в заданные моменты времени и контролируют выходной ток преобразователя, с т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью повышения

эффективности использования вентилей по току, на время превышения выходного тока его номинального значения к определенному количеству фаз подключают заданное число резервных параллельных вентилей,

одновременно с этим в двугих оставшихся фазах преобразователя уменьшают длительность проводящего состояния вентилей на величину, выбранную исходя из нижней границы соответствующей предельной тепловой нагрузке этих вентилей и верхней, соответствующей одинаковой тепловой нагрузке вентилей всех фаз.

Сущность изобретения: в способе уменьшают температуру полупроводниковой структуры наиболее нагретого вентиля (В) в преобразователе (П) в режиме его рабочей перегрузки и необходимое число В в П. Контролируют выходкой ток П, вводят в заданном числе фаз П заданное «пело резервных параллельных В при превышении выходным током П заданной величины, одновременно с этим уменьшают длительности проводящего состояния В в других фазах путем изменения моментов подачи импульсов управления к ним 10 ил.

Фиг. 1

9u.-,g

9ч Л &

27

96 °С