Преобразователь постоянного тока в переменный Советский патент 1993 года по МПК H02M7/515 

Фиг. Г

Изобретение относится к электротехнике, а именно к силовой преобразовательной технике, и может быть использовано в автономных инверторах тока преобразователей частоты различных промышленных или тяговых приводов для питания трехфазных асинхронных двигателей.

Целью изобретения является устранение указанного выше недостатка, а именно повышение КПД.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе постоянного тока в переменный, содержащем трехфазный мост тиристоров, выводами постоянного тока подключенный ко входным выводам, а выводами переменного тока - к выходным выводам и к выводам переменного тока трехфазного моста диодов, две цепочки попарно согласно последовательно соединенных коммутирующих и распределительных тиристоров, анодами и катодами подключенных к выводам постоянного тока соответственно диодного моста и моста основных тиристоров, коммутирующую LC- цепь, включенную между точками соединения коммутирующих и распределительных тиристоров, дополнительно вводится трехфазный мост вспомогательных тиристоров, встречно параллельно подключенный к мосту диодов, и демпфирующий конденсатор, своими выводами подсоединенный к объединенным выводам постоянного тока трехфазного моста диодов и трехфазного моста вспомогательных тиристоров.

Кроме того, предлагается основные ти- ристоры трехфазного моста выполнить в виде асимметричных тиристоров с обратной проводимостью.

Введение вспомогательного моста и демпфирующего конденсатора, подсоединенных указанным выше образом, позволяет накапливать энергию коммутации в демпфирующем конденсаторе, выполненном в виде фильтрового конденсатора большой емкости при малых габаритах, в результате чего за одну коммутацию напряжение на конденсаторе повышается не более, чем на 10-15%. Вывод энергии коммутации осуществляется с помощью вспомогательных тиристоров с частотой, равной частоте коммутации, вследствие чего максимальный уровень напряжения на силовых приборах не превышает 10-15% относительно амплитуды линейного напряжения нагрузки, что позволяет снизить класс приборов, отказаться от их последовательного соединения, обеспечить снижение суммарных потерь в силовых полупроводниковых приборах и повысить КПД устройства

Выполнение основных тиристоров трехфазного моста в виде асимметричных тиристоров, проводящих в обратном направлении, позволяет создать цепь для протекания избыточного тока коммутирующей цепи через обратные диоды основных асимметричных тиристоров и исключить всплески коммутационных перенапряжений, обеспечить по сравнению с обычными тири0 сторами такой же установленной мощности в несколько раз меньшее схемное время выключения, что позволяет уменьшить установленную мощность коммутирующей LC- цепи, снизить коммутационные потери и,

5 следовательно, также повысить КПД преобразователя.

При анализе известных технических решений было рассмотрено техническое решение Hisao Kubota, Kouki Matsuse and

0 Jong-Ha Ree. Analysis of New Current Source GTO Inverter - Fed Induction Motor Drive. IEEE Transaction on Powev Electronics, vol. pe- 1. №4, octobev 1986, s. 210-214., содержащее признаки, сходные с отличительны5 ми признаками заявляемого объекта изобретения. В указанном известном техническом решении основной мост выполнен на двухоперационных тиристорах, которые могут быть выполнены либо запираемыми

0 по управляющему электроду (GTO-тиристо- ры), либо в виде обычных тиристоров, снаб- женных индивидуальными узлами принудительной коммутации. Поскольку на сегодняшний день отечественная промыш5 ленность не выпускает серийно мощные запираемые GTO-тиристоры, а существующие единичные опытные образцы GTO-тиристо- ров не надежны и имеют относительно большую стоимость, известное техническое

0 решение, предполагающее применение шести (по числу основных тиристоров) узлов принудительной коммутации, обладает сложностью. Кроме того, вывод накопленной в демпфирующем конденсаторе энер5 гии осуществляется в цепь постоянного тока преобразователя посредством дополнительного широтно-импульсного преобразователя, выполненного в виде диодов, запираемых тиристоров и вспомогательных

0 дросселей, а затем эта энергия вновь поступает на вход АИТ для преобразования.

Циркуляция энергии коммутации через дополнительный широтно-импульсный преобразователь и цепь постоянного тока тири5 сторного преобразователя обуславливает повышенные потери в известном преобразователе и снижает его КПД. Необходимость в применении вспомогательного преобразующего устройства с собственными узлами принудительной коммутации для

запираемых тиристоров также усложняет преобразователь.

Заявляемое техническое решение в отличии от известного обеспечивает запирание тиристоров основного моста с помощью одного узла коммутации и вывод энергии из демпфирующего конденсатора - без применения вспомогательного преобразующего устройства, что упрощает тиристорный преобразователь, а также обеспечивает вывод энергии коммутации непосредственно в фазы нагрузки, что снижает потери энергии и повышает КПД тиристорного преобразователя.

Таким образом, поскольку признаки известного технического решения и сходные с ними отличительные признаки заявляемого технического решения обладают различными свойствами, заявляемый объект изобретения отвечает критерию существенные Отличия.

На фиг. 1 приведены схемные варианты реализации преобразователя; на фиг. 2 - шременные диаграммы, поясняющие его ра- фоту.

Согласно фиг. 1 предлагаемое устройство содержит источник регулируемого посто- Янного тока, выполненный в виде последовательно соединенных источника регулируемого напряжения 1 и сглаживающего реактора 2, к выходу которого подсоединен вход трехфазного инверторного оста основных тиристоров 3-8, выходом подсоединенный к трехфазной нагрузке 9 (например, асинхронному двигателю). К фа- Зам нагрузки подсоединены выводы переменного тока моста вспомогательных Тиристоров 10-15, каждый из которых за- шунтирован обратным диодом, а выводы постоянного тока моста подсоединены к демпфирующему конденсатору 16, выполнен- Н)ому в виде однополярного фильтрового Конденсатора, и к полумосту коммутирующих тиристоров 17, 18. Полумост распределительных тиристоров 19, 20 подсоединен к положительной и отрицательной шине источника постоянного тока, а коммутирующая LC-цепь 21, 22 подсоединена между Общими точками соединения коммутирующих тиристоров 17 и 18 и распределительных - 19 и 20. Устройство снабжено блоком управления 23, который может быть выполнен в виде задающего генератора (ЗГ) 24, на вход которого подается сигнал задания выходной частоты Uf, выходом подключенного К запускающему входу фазосдвигающего устройства (ФСУ) 25, на управляющий вход Цоторого подается сигнал управления Uynp, причем выход ФСУ 25 подсоединен ко входу формирователя - распределителя импульсов 26, выходом подключенного через усилители мощности (на чертеже не показано) к управляющим электродам тиристоров. В качестве источника напряжения 1 может быть применен обычный трехфазный (в случае использования устройства в промышленных приводах) или однофазный (в случае использования в тяговых приводах электроподвижного состава переменного

0 тока) регулируемый выпрямительный или выпрямительно-инверторный преобразователь. При условии использования предлагаемого устройства в приводах электроподвижного состава постоянного

5 тока, в качестве источника 1 может быть применен любой из широко известных импульсных преобразователей. Узлы 27, 28 и 29 блока управления широко известны и могут быть выполнены согласно (1).

0Согласно временным диаграммам (см. фиг. 2) устройство работает следующим образом.

В соответствии с законом частотного управления асинхронным двигателем на

5 блок управления 23 подается сигнал адан- ной частоты тока статора Uf. ЗГ 24 формирует последовательность импульсов, следующих с шестикратной частотой. По переднему фронту импульсов и24ФСУ25

0 формирует импульсы U25, длительность которых пропорциональна сигналу управления Uynp. По заднему фронту импульсов U25 формирователь-распределитель импульсов 26 формирует короткие импульсы

5 включения коммутирующих и распределительных тиристоров 17-20, формирует шесть последовательностей 120-градусных импульсов, сдвинутых относительно друг друга на 30 эл.град., и распределяет их на

0 включение основных тиристоров 3-8, а также распределяет импульсы U25 на включение тиристоров 10-15.

Предположим первоначально коммутирующий конденсатор 22 заряжен со знаком,

5 показанным на фиг. 1 без скобок. На интервале 0-ti проводили тиристоры 3 и 8, ток нагрузки замыкался по цепи: 1, 2, 3, а, с, 8, 1. В момент времени ti начинается процесс коммутации тока из фазы а в фазу Ь,

0 для чего включаются тиристоры 11 и 12. Под действием напряжения на конденсаторе 16 (конденсатор 16 первоначально заряжен через диоды 10-15 до напряжения, равного не менее амплитуды линейного напряжения

5 фаз нагрузки 9) появляется и начинает возрастать ток в фазе Ь, а ток нагрузки в фазе а начинает пропорционально снижаться по цепи: + 16, 12, Ь, а, 11, - 16. Причем конденсатор 16 частично разряжается. В момент времени ta, определяемом длительностью импульса управления U25 начинается процесс принудительного выключения основного тиристора 3, для чего подается импульс ка включение коммутирующего ти- ристора 18 и распределительноготиристора 19. Под действием напряжения заряда коммутирующего конденсатора 22 протекает коммутирующий импульс тока по цепи: +, 22,27, 18, диод 11,3, 19, - 22. В момент достижения коммутирующим током LC-це- пи 21, 22 тока нагрузки основной тиристор 3 обесточивается, а ток нагрузки замыкается по цепи: 1, 2, 19, 22, 21, 18, затем по двум параллельным цепям (диод 11, а) и (16, 12, Ь), с, 8, 1.

Далее, на интервале восстановления запирающих свойств тиристора 3, возможны следующие варианты протекания процесса.

В случае если основные тиристоры преобразователя выполнены в виде обычных тиристоров, непроводящих в обратном направлении (см. фиг. 1а), к тиристору 3 в обратном направлении прикладывается остаточное напряжение на коммутирующем конденсаторе 22, способствуя восстановле- нию запирающих свойств тиристора. При этом конденсатор 22 продолжает перезаряжаться током нагрузки. Ввиду малой емкости коммутирующего конденсатора длительность процесса его перезаряда не велика. Однако, при необходимости большего сокращения времени перезаряда узел коммутации может содержать функционально известные цепи свободного перезаряда на тиристорах 27 и 28.

Во втором случае, когда основные тиристоры выполнены в виде асимметричных тиристоров с элементами обратной проводимости, например, шунтированных обратным диодами, коммутирующий ток за- мыкается через элемент обратной проводимости, создавая обратное напряжение на запираемом тиристоре 3 в несколько единиц вольт и способствуя восстановлению его запирающих свойств. При этом конден- сатор 22 перезаряжается в колебательном режиме и приобретает заряд обратного знака, показанный на фиг. 1 в скобках, в результате чего тиристоры 18 и 19 запираются.

Одновременно с выключением основного тиристора 3 включается основной тиристор 5. Часть тока нагрузки протекает по цепи фазы Ь: 1,2, 5, Ь, 8, 1. Вторая часть тока, поддерживаемая индуктивным сопро- тивлением фазы а, протекает по цепи: 1, 2, 5 диод 12, 16, диод 11, а, с, 8, 1. Через открытые диоды 11 и 12 напряжение демпфирующего конденсатора 16 продолжает

прикладываться к линейным зажимам фаз а и Ь нагрузки 9, способствуя дальнейшему снижению тока в фазе а и повышению - в фазе Ь. Причем ток через конденсатор 16 имеет противоположное направление, в результате чего конденсатор частично заряжается, восстанавливая прежний уровень своего напряжения.

В момент времени т.з протекание тока через фазу а и конденсатор 16 прекращается, а ток нагрузки целиком замыкается через фазы Ь и с по цепи: 1, 2, 5, Ь, с, 8, 1.

Далее с момента времени t4 начинается очередной процесс коммутации тока с фазы на фазу, который протекает аналогично описанному выше в соответствии с диаграммами на фиг. 2.

В предлагаемом устройстве также как и в прототипе не требуется первоначальный заряд коммутирующего конденсатора от стороннего источника, поскольку при включении преобразователя и появлении тока нагрузки всегда создаются цепи заряда, способствующие самовозбуждению колебательного LC-контура. Например, для рассмотренного выше интервала в случае режима начала работы преобразователя цепь для заряда конденсатора 22 от источника 1 создается в момент времени t2 по цепи: 1, 2, 19, 22, 21, 18, диод 15, 8, 1. При дальнейшем повышении тока нагрузки коммутирующая способность LC-цепи возрастает из-за известного эффекта накачки энергии в LC-контуре спадающим током коммутирующего дросселя 21 в момент окончания очередного процесса коммутации.

В предлагаемом устройстве демпфирующий конденсатор 16, работающий в режиме частичного заряд-разряда, выполнен в виде однополярного, т.е. фильтрового конденсатора, обладающего относительно большой емкостью при малых габаритах.

Максимальный уровень напряжения в предлагаемом преобразователе ограничивается на уровне напряжения демпфирующего конденсатора Die (см. линейное напряжение Uab на фиг. 2), который может незначительно превышать амплитуду линейного напряжения Dab, чем обеспечивается рациональное использование установленной мощности силовых полупроводниковых приборов. Изменением длительности импульса LJ25 за счет сигнала Uynp можно регулировать глубину разряда демпфирующего конденсатора в момент коммутации и этим устанавливать на нем требуемый уровень предкоммутационного значения напряжения.

Снижение коммутационных перенапряжений в предлагаемом устройстве по срав- с устройством-прототипом не менее, чем в два раза, позволяет снизить класс применяемых силовых полупроводниковых приборов, отказаться от применения последовательного соединения приборов, в целом уменьшить установленную мощность оборудования, коммутирующей LC-цепи, защитных RC-цепочек, этим обеспечить уменьшение суммарных основных потерь в полупроводниковых приборах и вспомога- тфльных коммутационных потерь и, следовательно, повысить КПД предлагаемого устройства.

В случае выполнения основных тири- cfopOB в виде асимметричных с обратной проводимостью значительно снижается об- рЈтное напряжение на запираемом тири- сторе в моменты коммутации (обратное напряжение равно прямому падению напряжения на проводящем обратном диоде 1-2 В), что в целом дополнительно снижает уровень коммутационных перенапряжений. Кроме того, асимметричные тиристоры по сравнению с обычным тиристорами имеют в несколько раз меньшее время выключения, что позволяет уменьшить установленную мощность коммутирующих цепей, снизить коммутационные потери и также пфвысить КПД тиристорного преобразователя.

Формула изобретения

1. Преобразователь постоянного тока в переменный, содержащий трехфазный мост тиристоров, выводами постоянного тока подключенный к входным выводам, а выводами переменного тока - к выходным выводам и к выводам переменного тока трехфазного моста диодов, две цепочки попарно согласно последовательно соединенных коммутирующих и распределительных тиристоров, анодами и катодами подключенных к выводам постоянного тока соответственно диодного моста и моста основных тиристоров, коммутирующую LC- цепь, включенную между точками соединения коммутирующих и распределительных тиристоров, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, в него дополнительно введены трехфазный мост вспомогательных тиристоров, встречно параллельно подключенный к мосту диодов, и демпфирующий конденсатор, своими выводами подсоединенный к объединенным выводам постоянного тока трехфазного моста диодов и трехфазного моста вспомогательных тиристоров.

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что основные тиристоры трехфазного моста выполнены в виде асимметричных тиристоров с обратной проводимостью.