ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Советский патент 1972 года по МПК H02M5/42 H02M7/72 

Изве/стды (Преобразователи постояннопо напряжения, -содержащие тиристю|р:ный бл:01К реверса тока нагрузкИ;, например, в виде однофазного иди миогофазного инвертора с обратными диодами и узел коммутации , состоящий, по крайней мере, из о-дпого коиденсатора и двух тиристоров, общая точка которых соединена с одной из обкладок конденсатора, подключаемый к И1сточнику постоянного тока через последоВательный дроссель. Однако в таких 1преобразО|Вателях напряжение источника в MOMieHT разряда конденсатора узла коМмута ции Прикладывается к зажимлм последог вательной индуктив|Н|Ости на БХ;Оде, что прИаодит к увеличению тока, отбираемого от источпика и циркулирующего IB основ1ных тиристорах. Этот увеличенный ток прибавляется к разрядному току конденсатора. Таким обра зом, величина тока, проходящего через тиристоры преобразователя в момент запирания, больше ч€м в два р,аза превышает величину гока, циркулировавшего до команды занирания в тиристорах, литающих нагрузку. Для занирания этих тиристоров конденсатор должен подавать соотВетст1вен но товьишенную энергию, что ограничивает разрывную мощность преобразователя.

дроссель состоит, по крайней мере, из двух частей, соединенных последовательно, а другая обкладка конденсатора гальв анически связана с общими точ|ками соединения частей.

При выполнении узла коммута ции в виде тиристорного моста, в одну из диагоналей которого включена последанательная LC - цепочка, последняя соединена с обкладкой ;КОПденсатора, подключаемой к общей точке соединения тиристоров моста.

Преобразователь содержит две вспомогательные индуктивности, величина которых меньше индуктивности полуобмотки дрооселя. Через одну индуктивность дроссель подключается к источнику питания, а через другую - к узлу коммутации.

При выполнении дросселя из трех частей средняя часть шунтирована двумя последова,тельно соединенными элем-ентамл односторонней нроводимости, общая точка соединения которых подключена к конденсатору.

На фиг. 1 представлен один из варИ|антов выполнения предлагаемого преобразователя, питающего якорь электродвигателя постоянного тока; на фиг. 2 и 3-примеры выполнения узла коммутации преобразователя; на ф.иг. 4 - другой вариант выполнения преобразователя, питающего якорь электродвигателя постоянного тока; на фиг. 5 - схема преобразователя, питающего электродвИгатель переменного тока,; яа фиг. 6-8-.варианты выполнения узла коммутации прбО|бразо.вателя, питающего нагрузки, требующие больших изменений напряжения.

Преобразователь COICTOMT из .инвертора / на тиристорах и узла коммутации 2 для запирания этих тиристоров. Узел кО|Ммутации содержит два тиристора 3 i 4, ,ных последо;вагтельно между двумя точками 5 к 6 так, что анод тиристор-а 3 соединен с точкой 5, а катод тиристора 4 - с точкой 6, лрйчем катод тиристора 3 соединен с анодом тиристора 4 в точке 7. Точка 5 соединена с положительным полюсом источника 8 лостоанного на1ПрЯ|жения через индуктивность 9, между зажимами 10 и 11 которой может быть включен шунтирующий диод 12, а точка 6 непосредственно связана с отрицательным полюсом источника. Катушка индуктивности 9 снабжена проМ|ежуточным выводом 13, расяоложенным приблизительно в середине и связанным с точкой 7 через конденсатюр- 14. Точное ноложедие вывода 13 можно определить при помощи уравнений для р.а,зл,ИЧных переходных процессов в контурах, содержащих конденсатор.

Инвертор /, связанный с узлом коммутации в TOi4iKax 5 и 6, питает якорь 15 электродвигателя постоянного тока. Якорь включен в диа|пональ моста 16-17, состоящего из тиристоров 18-21. Аноды тиристоров 18 и 19 соединены с точкой 5, а катоды тиристоров 20 и 21-с точкой 6. К зажимам каждого из тиристоров 75-21 подключены встречно-параллельно диоды 22-25. Такой преобразователь предназначен для питания якоря 15 импульсами, амплитуда и длительность которых управляет величиной среднего значения тока, циркулирующего в якоре, и, 1следовательно, скоростью вращения электродвигателя. Длительно.сть импульсов зависит от продолжительности периодов проводимости и запирания тиристоров, питающих якорь.

Тири1сторы 18 и 21 управляют электродвигателем постоянного тока в одНом направлении,, а тиристоры 19 и 20 - в другом направленна. Запирание этих тиристоров производится совместным действием конденсатора 14 и Ендуктивности 9. Для этого индуктивность 9 выполнена на ,м магнитопроводе и ее две о.бмотки магнитосвязаны, образуя автотрансформатор. Если вывод 13 рашоложен приблизительно в середине индуктИ1вности 9, то коэффициент трансформации первичной и вторичной обмоток равен единице.

Когда тиристоры инвертора 1 заперты, а тиристор 4 открыт, конденсатор 14 заряжается от источника постоянного напряжения до величины, ограниченной напряжением источника вследствие наличия диодов 12 и 22-25. Тиристор 4 запирается, как только заряд конденсатО|ра 14 прекращается, когда напряжение на его зажимах становится равным напряжению источника 5.

Когда тиристоры 18 и открыты, через якорь 15 от источни1ка 8 проходит ток /сЕсли необходимо запереть тиристоры 18 и 21 (или 19 и 2(9), то отнирают тиристор 3. При

этом конденсатор 14 разряжается на 0:бмютку, раапо,ложенную М1ежду выводом 13 И зажимОМ 11 катушки индуктивности 9, в1с,л,ед|СТ,вие че|по ,на зажи,мах яндуктивностги появляетется встреч,ное напряжение, изолирующее

якорь 15 от источника 8. Это вторичное напряжение вызывает появление периодического тока il, противоположного по направлению току /о, который замыкается на ист10чни1к 8, пренставляющий малый импеданц для переменного тока благодаря наличию кои Ц;енса,торов фильтров, подключенных к источнику (на чертеже не показаны). Кроме того, в индуктивности 9 .появляется намагничивающий ток /т ТОГО же направления, что и тЮк /о. Поэтому ток г, проходящий через тиристо ры инвертора 1 равен

г 0 + я, - Ч.

где ij-.нарастающая функция тока «ондеисатора 14, /„ - убывающая функция тока индуктивности 9. Таким Образом, емкость конденсатора 14 и индукти вность 9 можно вы.брать такими, чтобы ток i стал равным нулю или отрицательной величине. Тиристоры. 18 и

2,1 запираются, если ток i равен нулю или имеет отрицательное значение в течение промежутка времени, превы.шаю,щвго время их запирания, т. е. если постоянная времени контура, состоящая из индуктивности 9 и ко,нденсатора 14, тако,ва, что продолжительнасть первого полупериода тока, подаваемого этим контуром,, больше времени запирания. Когда тОк i становится отрицательным., ДИ|ОД, включенный в обратном направлении на зажимы

соответствующего тиристора инвертора, ста.новитСя проводящим и вызывает при этом появление небольшого обратного напряжения запира.ния, равного падению прямого напряжения на проводящем диоде.

Если, тиристоры 18 и 2,1 снова открыты, в якоре 15 опять появляется ток /о. Кроме того-, когда тиристор 4 также открыт, конденсатор 14 снова заряжается через обмотку, расположенную .между зажимом 10 и выводом 13 индуктивности 9, благодаря чему на зажима1Х индуктивности возникает встречное напряжение, изолирующ.ее нагрузку от источника 8. Это встречное напряжение вызывает появление в обмотке, расположенной между вывоДО|М 13 и зажимол 11, периодического тока il, противоположного току /о, который замыкается диодам.и 22-25. Ток i, пр.ожодящий через тиристоры, равен

i I. + .,

Так как токи i и /т опять являются соответствеашо нарастающей функцией тока конденсатора 14 и убывающей функцией тока индуктивности 9, то открытые тиристоры инвертора / могут быть снова закрыты. Поскольку ТО.КИ /m, zl И Il ззри.сят от индуктивности утечки автотрангсфюрматора (индукти;в1но.сти 9), индуктивности монтажа и эквивалентного .сопротивления различных элементов, в частности диодов 22-25, то время переключения пр1еобра 3|ователя зависит от этих же элементов. Для устранения этогю по обе стОроны катушки индуктивности 9 и последо;В:ательно с ней лодсоединены две одинаковью индуктивности 26 (см. фиг. 2), величина которых м.еньше индуктивности 9, шрилем эта величина настолько м.ала, что не оказывает влияния на конфигурацию контура. Усилив токи ii и il, можно облегчить запирание тиристоров инвертора путем 1ВЫ|бора1 для автотрансформатора 9 коэффициента трансформации больше единицы. Для этого а|втатраисф.ор,матор 9 (см. фиг. 3) М|0жет быть снабжен двумя промежуточными, выводами 27 и 28. Между этими выводами имеются пг витков, а между каждым выводом и соответ ствуюшим концом 29 или 30 катушки - ui витков (). Выводы 27 и 28 соединены между собой через тиристоры 3,1 и 32, включенные последовательно так, что. их аноды обращены к положительному полюсу источника. Общ.ая точка тиристоров 31 и 32 соединена с конденсатором 14. Тиристор 31 отпирается одновременно с тир1исто.ром 4, а тиристор 32 -с тнристоро.м 3. Таким o6.pai3OM, во время заряда конденсато.ра 14 его зарядный ток проходит по цепи: «+ истачника -индукти.в1н.ость 26 - вывод 27 - тиристор 31 - конденсатор 14 - тиристор 4 - «- источника. При этом величина тока /1, увеличивается на коаффициант Аналогично, во время разряда конденсатора разрядный ток проходит по цепи: конденсатор 14 - тиристор 32 - вывод 28 - конец 30 катушки - индуктивность 26 - тиристор 3 - конденсатор 14 и коэффициент тран оформации также равен Узел коммутации с одним конден сат,аром Дбйствует так, что нри кагждом переключении, колебательный контур, состоящий из индуктивности 9 и конденсато-ра 14, выполняет две функции. Первая функция заключ.ается в иэоляции питаемой натрузки от источника питания, что устраняет вредные явления, которые могут возникнуть при коротком замыкании диодов 22-25, а вторая-в занирании открытых тиристоров. В некоторых случаях эти функции могут быть разделены ли15о из схемных соображений, либо для питания нагрузки. Преобразователь (см. фиг. 4) содержит мост из тирпсторов 53-36 включенных так что аноды тиристоров 55 и 34 соединены в точке 5, а катоды тиристорО1В 55 и 55 - в точке 6, причем катоды тиристоров 55 и 34 соединены с анодами тирлсторов 55 и 36 сО(От;ветственно в точках 7 и 57. Диагональ 5-6 моста включена параллельно источнику 8 посто янного напряжения, причем точка, 5 соединена с через индуктивность 9, между зажимами W и // которой включ.ен обратный диод 12, а точка 6 непосредственно связана с «- источни.ка. Кату.шка индуктивности 9 снабжена иромежуточным выводом 13, связанным с точкой 7 через конденсатор 14, а в диагональ 7-57 моста включен тоследоваг тельный колебательный контур, содержа.щий конденсатор 5S и индуктивность 39. При по.даче у|правляющего импулыса на электроды управления тиристоров 55 и 36 для ТОГО;, что.бы сделать эти тиристоры проводящими, конденсатор 58 заряжается от источника 8 так, что его обкладка приобретает положительный потенциал относительно точки 7. После того, как конденсатор 58 зарядится, эти тиристоры запираются. Когда тиристоры 18 и 21 открыты, через обмотку якоря 15 от точки 16 к точке 17 прохюдит ток /. Если для запирания этих тиристоров отпереть тиристоры 34 и 55, то конденсатор 58 разряжается через диоды 24, 22 и 25, 23. Пени 22-24 и 25-25 образуют короткое замыкание между точками. 5 и б. Поскольку тиристоры 34 и 55 продолжают оставаться проводящими и цепь тока /, проходящего через якорь 15, замыкается, с од|ной стороны, ч.ерез включенные обратные диоды 23 и 22, а с другой сто.ро.ны, через диоды 24 и 25, через диоды 22 и 25 в прямом направлении проходит ра.зрядный ток конденсатора 58 и- на зажимах индуктивности 9 появляется напряжение U. Таким образом, мгновенный ток, поступающий от источника, увеличивается на некоторую величину Л/, которая может быть ограничена лишь при большом зна,ч,ении индуктивности 9. Поэтому источник 8 пр.одолжает подавать в обмотку якоря 15 ток /-f-AA который добавляется к току /, уже прох1од,я.щему через нее. Вследствие STioro конденсато.р 58 должен давать тюк, превышающий величину 2/-|-Д/ для того, чтобы на:пряжения на зажи.мах диадов 22 и 25 был.и достаточны для запирания тиристоров 18 и 2. Разрывная мощность изв.естного преобразователя ограничена, так как необходимо разрыв,ать ток, фактически равный 2/+Д/ ВМ.есто тока /. Кроме того, для ограничения нарастания Д/ индуктивно.сть 9 должна быть весьма больщ ой (несколько м.илли1генри). Однако индуктивность для тока пита.ния включена паследователыно с обмоткой якоря 15, поэтому она уменьшает силу тока, проходящего через эту обмотку, причем тем сильнее, чем меньше постоянная времени индуктивной нагрузки. Предлагаемый преобразов атель позволяет чением И1ндукт,ив,но;сти 9 и учитывая величину емкости конденсатора 14, вычислить частоту собствевных колебаний цепи, соответствующ.ую заряду конденсатора 14 от сети HI его разряду через цепь ти-ристора 33. Величины индуктивности. 9 и емкости К1ондеиса,тора 14 подбирают та,кими, что;бы полулернод ообстВ.6ННЫХ колебаний цепи индуктивность 9 - конденсатор 14 имел длительность, почти равную длительности лериода цепи конденсатор 38 - индуктивность 39, которая несколько болыше, ч.ем время запирания тиристоров. Когда тиристо,ры 34 и 35 проводят, конденсатор 14 заряжа:ет1ся от источника 8 через тиристор 35 так, что егО 01бклад1ка, со1едиНен-, ная с выводом 13, становится положительной., В1следствие этого, в индуктивности 9 возникает электродвижущая сила, которая уничтожает или даже делает отрицательньгм ток, н.роходящий через обмотку, подключенную между вы.водо.м 13 и зажимом 11. Таким образом,, индуктивная нагрузка,, состоящая, например, из обмоток электродвигателя, оказывается из:олированной от источника 8, и ток протекающий через тиристоры 18 и 21, который необходимо прервать, сохраняет величину /. Кром.е того., когда; тиристоры 33 и 36 становятся проводящими, конденсатор 14 разряжается через Обмотку, .включенную между вьшодам 13 и зажимом 11, вследствие чого мгновенно исчезает ток в обмотке, включенной между зажимом 10 и выводом 13, и HICточлик изолируется от нагруз1ки во время ра|зря1да конденсатора 14. В то же время крнденсатор 55 перезаряжается от исто1чника 8, и последователыный колебательный контур, состоящий из конденсатора 38 и индуктивности 39, может быть анова заперт. При каждом перезаряде конденсатора 38 тиристоры 33 и 36 остаются проводящими. На фиг. 5 представлен преобразователь, у которого нагрузкой являются, иа1пример, четыре о-бмотки 40-43 электродвигателя переменношо тока, причем число обмоток не ограничено. Обмотки 40-43 включены по кольцевой схеме. Общая тачка обмоток 40-43 соединена, с одной стороны, с точкой 5 через тиристор 18, щунтированный диодом 22, и, с другой стороны, с точкой 6 через тиристо.р 44, щу1нтированный диодом 45. Кроме того, о бщие точки Обмоток 40-43 соответственно соединены, с одной стороны, с точкой 5 через тиристоры 19, 44 и 46, шунтированные диодами 23, 45 и 47, и, с другой стороны, с точкой 6 че-рез тиристоры 48, 21 и 20, шунтиров анные диодами 49, 26 и 24. Обмотки должны периодически питаться током сначала одного направления, а затем др,у|лог,о. Ехми тиристоры 18 и 21 открыты, то через -обмотки 40 и. 4} про.ходят одинаковые токи, а через oi6MioTки 42 и 43-яротивоположнО налравлевные токи. У|3€Л коммутации с конденсатором 14 при-. М1бня€тСя лишь в тоцм случае, если он иьпольт зуется со стабильным источником напряжеПИЯ постоянного тока, и не может быть HICпользова.н, если напряжение постоянного то1ка сильно колеблется, копда, например, нагрузка инвертора / состоит из обмоток синхронного или асинхронного электродвигателя, скорость вращения которого регулируется в широких иределах нутем изменения частоты аштающего напряжения. В этом слунае напряжение источника 8 должно понижаться нри уменьшении частоты во из бежание насыщения железа электродвигателя. TaiKHiM образом, напряжение может измелятыся в диапазоне 1 : 20, и лри этом ток остается постоянны:м, 6СЛИ электродвигатель работает с лостоянным моментом вращения. Изменение напряжения обестечшается нутем воздействия на источник питания, которьгм может, например, -служить управляем.ый выпрямитель. Ток запирания тиристоров прапорционален напря.жени.ю пита:ния U, поэтому тири|сторы узла коммутации, а также диоды инвертора должны быть ра1ссчитаны на пропускание токов при максимальном питающем напряжеНИИ. Для этого узел коммутации (см. фиг. 6-8) содержит одинаковый набор схемНЫХ элементов из инду ктивностей 9 и. 26, конденсатора 14, тиристоров 5 и и диада- 12, питаемый от источ-ника 8, и мост с ти-ристорами 33-36, одна диагональ которого питается от источника напряжения 50, а. другая диагональ содержит, по крайней мере один конденсатор 38. Мост из тиристоров 33-36 включен между тиристорами 5 и и зажимами 5 и 6. Анод тИ|ристо.ра1 33 соединен с aHiOдом тиристора 34, а катод тирис гора 35 с катодом тиристора 36. Катоды тиристоров 33 и 34 соответственно соединены с анодами тиристоров 35 и 36. Общая, точка катодов тиристор.ов 35 и 36 соединена с общим отрицательным полюсом источников 50 VI 8, а общая точка анодов тиристоров 33 и 34 соединена, с одной стороны, с точкой 5 через диод 51, открытый для источника 8, и, с другой стороны, с положительным полюсом источни-ка- 50 через индугктивность 52 и диод 53, открытый для источника 50. Общие тючки тиристоров 33 V 35 и тиристоров 34 и 36 связаны через н-оследовательный колебательный контур, содержащий .конденсатор 38 и индуктивность 39. Диоды 5/ и 53 предотвращают возмож/н-ость разряда источников 8 и 50 одного на другой. Если, например, отпира.ются тиристоры 33 и 36 для переключения тока в нагрузке 15 при .пом-ощи последовательного колебательного 38-39, то тиристор 4 также от.ттирается. Таким образом, заряд ко)гденсатора М вызывает появлеогие напряжения, которое прерывает ток через обмотку, Под.клюЧ|9нную между выводом / и зажимом //, что изоли-рует нагрузку от и-сточннка 8. Аналогично, при следующем переключении тиристоры 33 и 36 (или 34 и 35) становятся и разряд конденсатора 14 онова иволиру-ет нагрузку от источника 8. Мо:менты от1пи-ран,ия тиристоров 33 и 36 (или 34 и 35) и тИристороЬ 3 или 4, а также постоянные времени молебаггельных контуров 5 и 38-39 должны быть выбраны так,. чтобы натруака 15 вполне надежно иволнровалась при каждом переключения. Крюме того, необходимо обеспечить т.акую лостояннуро времени последовательного колебательного 10 контура 55-39, чтобы первый столунериод то«а, отдаваемого этим контуром, имел длительность, превышающую время заиирания тиристоров 18-2,1. Поэтому це1по;чку, состоящую из И1ндуктив1ностей 26 Е 9 п конденсато- 15 pai 14 выбирают так, чтобьг полутер-иод собственной частоты был равен периоду ц-впи 38-39. В узле Коммутации (см. фиг. 6) индуктивность 53 ограничивает нарастание тока, noi- 20 ступающепо от источника 50, когда колебательный контур 38-39 переключает тиристоры инвертора 1 и, следовательно, имеет иа своих зажимах нулевое напряжение. Если нагрузка 15 потребляет большой ток 25 и частота переключений высока, индуктивНОСТЬ 52 может сильно задерживать в(аряд контура 38-39. Во избежание этого (см. фиг. 7) индуктивность 52 и диод 53 могут быть соответственно заменены индуктивностью 30 54небольшой величины (в частном случае равной нулю) и тиристором 55, причем конденсатор 55 включен параллельно мосту из тиристоров. Тиристор 55 запускается лишь по окончании переключения колебательного кон- 35 тура 38-39, причем конденсатор 38 лерезаряжается до напряжения источника 50, что KiOMnewcHpycT потери, возникающие при каждом переключении. Колебательный контур 54-56 нозволяет уменьшить изменения на- 40 (Пряжения, подаваемого на зажимы тиристора 55во время переключения, поскольку это изменение могло бы вызвать несвоевременное отпирание этого тиристора. В узле коммутации (см. фиг. 8) индуктив- 45 ность 39 не находится в диапанали моста, из тиристоров, а включена между катодом диода 51 и анодами тиристоров 33 и 34. Конденсатор 56 включен параллельно индуктивности 39 и мосту. Такая схема узла коммутации умень- 50 щает колебания напряжения на зажимах тиристоров моста. ТакИМ образом, при помощи 1предл:а1га1емого пре образователя можно питать любое электрическое устройство, содержащее одну ил.и несколько Обмоток, в частности ииверторы для электродвигателей различных типов. Кроме того, треобрааователь пойволяет уменьшить энергию, необходимую для переключений пр.и периодическом прерывании тока, в то время как допу1стим,ая частота переклю;чвний увеличивается. В этих условиях можно регулировать среднее значение тока, проходящего через каждую обмотку, прерьг.вая напряжение нитания. Предмет изобретения 1. Преобразователь постоянного наиряжения, содержащий тиристорнъш блок реверса то.к нагрузки, например, в виде однофазного или многофазного инвертора с обратными диодами и узел коммутации, состоящий, по крайней мере, из одного конденсатора и. двух тиристоров, общая точка которых соединена с одной из обкладок конденсатора, под1кл1Ючаемый к источнику постоянного тока через последовательный дроссель, отличающийся тем, что, с целью повыщения надежности, дроссель состоит, по крайней мере, из двух частей, соединенных носледовательно, а друга,я обкладка конденсатора гальванически связана с общими точками соединения частей, 2. |Преобра.З|Ователь по п. I, отличающийся тем, что нри вьшолнении узла коММутация в виде тиристорного моста, в -одну из диа1гонаг лей которого включена последовательная LC-/цепочка, последняя соединена с О1бкладкой конденсатора, подключенной к общей точ|ке соедине Еия двух тиристоров моста, 3. ПреобразО|В.атель по п. 1, отличающийся тем, что он содержит две вопом-агаггельные индуктивности, величина которых маньще И1нду1кти:вности полуобмотки дроаселя, причем через одну из них дроссель полключлется к всточнику питания, а через другую - к узлу ком мутации. 4. Преобра13ователь по п. I, отличающийся тем, что при выполнении дросселя из трех частей средняя часть шунтирована двумя последовательно соединенными элементами односторонней -проводимости, общая точка соединения которых подключена к конденсатору.

+ о

- о

26 Ю 9 i3 ti26 Т

-о+- о26 29 27 г 2в 30 26 71

// Ч5Н „,

-

-oJ 3uJ

.7

4

-oJ

-о

r.l 14 Р Ч I/J

/7

i-i /i

1

i«7

/

4

0

t3

2/i

Й/S

Л

2SA5