Преобразовательное устройство Советский патент 1979 года по МПК H02M7/515 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

1

Изобретение относится к силовой преобразовательной техника-статистическим преобразователям частоты со эвеном постоянного тока, предназначенным для питания различных потребителей электрической энергии, например, вентильных двигателей.

Известны преобразовательные устройства (ПУ) с групповой коммутацией вентилей, выполненные на основе инвертора напряжения.

В устройстве в качестве групп индивидуальных коммутирующих вентилей использовань управляемые вентали, что удорожает устройство.

Наиболее близким к предложенному является ПУ, основные вентили которого соединены по мостовой схеме и запираются диодами, объединенными в две группы, анодную и катодную.

Общие -точки названных групп диодов с помощью коммутирующих (групповых) вентилей соединены каждая со своим диодом, подключенным к соответствующему

шлводу источника питания (ИП) постоянного тока, на входе основных вентилей ПУ. Каждый из конденсаторов подключен к одному из выводов ИП. Заряд и перезаряд конденсаторов производится от дополнительного ИП.

Недостатком этого ПУ является недостаточно эффективное использование коммутирующих конденсаторов и обязательное использование дополнительного ИП для заряда и перезаряда конденсаторов.

Целью изобретения является снижение массы и габаритов ПУ за счет улучшения использования коммутирующих конденсаторов, улучшения использования основных управляемых вентилей ПУ к устранения отдельного ИП для заряда конденсаторов. Зто достигается путем подключения анода одного из групповых коммутирующих вентилей к катоду другого и подключения к этой же точке одного из выводов коммутирующего конденсатора, другой вывод которого подключен к отводу в звене постоянного тока, или к средней точке питающего ПУ трансформатора. Число коммутирующих конденсаторов уменьшено до одного. Путем соединения общих точек упомя нутых групп диодов управляемых вентипем, .отпираемым после каждого перезаряда коммутирующего конденсатора, а та же за счет того, что конденсатор периодически отключается групповыми коммутирующими вецтилями от И П. На нем удерживается напряжение отличное от напряжения выводов ИП, к которым он подключен. ПУ может быть однофазным и многофазным. На фиг. 1-3 приведены варианты схем ПУ: 1-6 основные вентили, 7, 8-групповые коммут1фующие вентили, 9, 1Огрупповые обратные диоды 11-16-ивцивидуальные коммутирующие диоды, 17вспомогательный вентиль, 18-трансформатор, питающий ПУ, 19- источник коммутирующего напряжения (ИКН), 2О - то- коограничиваюпшй элемент (дроссель) 21-ИП, например, выпрямитель с выходным фильтром или без него, 22- нагрузка, 23, 24 - групповые коммутирующие диоды, 25-27 потенциальные диаграммы внешних выводов ПУ по отношению к сред ней точке ИП, 28 - кривая линейного напряжения. А, В, С - зажимы нагрузки. В качестве ИКП может использоваться конденсатор, колебательная цепь или какое-либо другое устройство, способное подавать знакопеременное напряжение к точкам 0-Of. На фиг. 1 схематически представлена работа устройства при отключенных вентилях 9, 1О, 17. Нагрузка симметрична ccosifo i и в системе установился стационарный периодический процесс. В исходный момент времени ток проводят вен тили 1, 2, 3, а в ближайший момент ком мутации должен быть заперт вентиль 1. В качестве ИКП используется колебатель ная цепь, содержащая конденсатор С и дроссель t- I конденсатор заряжен до напряжения JILJ § и плюсовой заряд на правой его обкладке (Е - напряжение звена постоянного тока). В момент tg подается отпирающий импульс на вентиль 7, Вентили 1-3 запираются, а конденсатор интенсивно перезаряжает током колебательного контуpa,- образованного емкостью конденсатор и индуктивностью цепи ИП-19-7-15-20 2. В момент перезаряда конденсатора до напряжения, равного по абсолютной Велиш1не начальному, подается отпирающий импульс на вентиль 4, и он проводит ток фазы А нагрузки. (Отпирающий импульс на вентиль 3 подается в этот же момент или раньше, приУ(.. 0. Теперь ток проводят вентили 2, 3, 4. Положительный заряд на левой обкладке конденсатора и он готов к следующей коммутации на этот раз вентиля 2. Величина напряжения конденсатора зависит от добротности колебательного контура и величинь тока нагрузки. Дальнейшая работа ПУ происходит аналогично. Для уменьшения потерь энергии в контуре коммутации при высокой частоте коммутаций и ограничения напряжения на конденсаторе может быть использован известный прием по выводу .избыточной энергии токоограничивающего элемента 2О. Для этого он выполняется с вторичной обмоткой при минимальном рассеянии. Эта обмотка через вентиль подключается к ИП. фиг. 2. При индуктивном характере нагрузки должны быть включены или диоды 9, 10 или тиристор 17 ПУ. В первом случае нет ограничений по величине С05ф нагрузки поскольку нескомпенсированная избыточная энергия магнитных полей нагрузки обратными диодами отдается ИП. Во втором же случае эта энергия не возвращается ИП, а расходуется в нагрузке. Напряжение ПУ должно быть разрывным (как при широтно-импульсном регулировании) и относительная продолжительность интервала времени с нулевым значением напряжения должна быть тем больше, чем нижесо%Ц) нагрузки. Управление основными вентилями ПУ в этом случае производится в функции тока нагрузки, каждый из этих вентилей отпирается лишь после спада до нуля тока предыдущей полуволны и восстановления вентильных свойств вентиля 17. При отсутствии требований по рекуперации энергии нагрузки с сохранением знака напряжения ИП схема с вентилем 17 предпочтительна, поскольку обеспечивает более высокое использование вентилей. Вентили 11-17 разгружают основные вентили по току тем больше, чем ниже cos( . На фиг. 3 схематически представлена работа с вентилем 17. Нагрузка симмет рична с отстаюжимсо5«р 0,7 в системе установился стационарный периодический; процесс и ток проводят вентили 1, 2, 3. Индуктивность ИКН L О, положительна правая обкладка конденсатора момент t- подается отпирающий им-« пульс на вентиль 7, вентили 1,3 запираются. Конденсатор С интенсивно перезаряжается как током нагрузки, так и током цепи ИП-19-7-15-20-2, При перезарядке конденсатора до напряжения, равного по абсолютной величине начально му, подается отпирающий импульс на вентиль 17, Ток фазы А нагрузки под действием энергии ее магнитного поля протекает по цепи 12-17-11, а ток фазыВ по цепи 12-17-13, При этом вентиль 2 разгружается на величину тока фазы А, После спада до нуля тока предыдущей полуволны фазы А подается отпирающий импульс на вентили 2 и 3. При этом вен тиль 17.обесточивается изапкрается ана вентиль 4 подается отпирающее напряжение на управляющую цепь. К моменту t,. ток проводят вентили 2, 3, 4, В момент t,/ подается отпирающий импульс на вентиль 8, Вентили 2 и 4 запираются а конденсатор интенсивно перезаряжается При перезарядке конденсатора до требуемого напряжения подается отп1фающий импульс на вентиль 17 и с этого момента ток фазы С замыкается по цепи 12-1713 разгружая вентиль 3 и ток фазы А по цепи 14-17-13 разгружая вентиль 4. После спада тока фазы С до нуля отпираются вентили 3 и 4, Вентиль 17 обесточивается и запирается. Вслед за этим отпирается вентиль 5, Дальнейшая работа ПУ происходит аналогично. Пренебрегая высшими гармоническими в кривой тока нагрузки можно установить что включение вентиля 17 вместо вентилей 9, 10 уменьшает загрузку основных вентилей по среднему току более чем в Itcostp „-L Р О,7 это дает выигрь1ш более чем на 2О%, Достоинством схемы является ее прос тота, высокая степень использования обо рудования и высокие энергетические пока затели. Повышение использования конденсатора обеспечено не только использованием напряжения обоих его полярностей, но и подключением конденсатора к рредней точке ИП или делителя напряжения. Расчетным путем установлено, что благодаря тому, что при коммутации напряжение конденсатора складывается с поло виной, а не полной величиной напряжения ИП, изменено соотношение меншу временем восстановления вентильных свойств И временем перезаряда конденсатора в направлении увеличения времени восста- новления. Кроме того, конденсатор здесь может работать при меньшем напряжении перезаряда, что позволяет уменьшить его потери и установленную мощность. Одновременно в 5-8 раз уменьшена избыточная энергия, накапливаемая в токоограни-, чивающих дросселях при каждой коммутации. Поэтому меры по рассеянию или выводу этой энергии в цепь ИП требуется принимать лишь при высокой частоте. Первоначальный заряд конденсатора при включении инвертора производится по цепи одного из основных и одного из коммутирующих вентилей и токоограничивающего дросселя. Например, при включении вентилей 5, 6 одновременно включается и вентиль 8. Заряд конденсатора Aol/y - производится по цепи 5-2 0-128, поэтому ПУ не требует предварительного заряда конденсатора до включения нагрузки. ПУ надежно работает и на холостом ходу, т.к. конденсатор всегда разряжается по цепи токоограничи веющего дросселя. При отсутствии отвода от средней точки И П или делителя напряжения в звене постоянного тока возможен другой вариант схемы - фиг, 3, Здесь промежуточный отвод для подключения ИКН образован общей шиной цепи из двух вентилей, например диодов 23, 24. Рйбота схемы аналогична предыдущей, разнятся лишь параметры. В этом должно быть больше напряжения ИП, Достоинством данного варианта ПУ является то, что оно может работать при бесконечно большой добротности колебательного контура, поскольку здесь цепь ИП находится за пределами контура коммутации и потому избыточная энергия принципиально не может образовываться: в цепи дросселя 20, . Перезаряд конденсатора до|ис1 Е может обеспечиваться индуктивйым током нагрузки или автономным источншсом дозаряда. Для первоначального заряда конденсатора при включении ПУ целесообразно один ипи оба вентиля 23, .24-шунтировать токоограничивающими элементами (резисторами), как. показано на фиг, 3, Если по ПУ требуется повышенная коммутационная способность, вентили 23, 24 целесообразно шунтировать встречно им включенными управлениями вентилями, В обычных режимах они заперты и тока не проводят. При перегрузках же, когда надо увеличить коммутационную способность ПУ на них подаются оттфающие импульсы одновременно с соответствующими им импульсами вентилей 7, 8. (Во избежание накопления в этом случае избы-гочной энер тЧга в коммутирующих ueninc, через то итт иное число тактов подачи импульсов на эти дополнительные вентили не производится). Схема наиболее целесообразна п|эи относительно низкой величина напряжения ИП. Малый уровень коммутационных потерь в предложенном ПУ позволяет использовать при регулировании его напряжения щиротно импульсное модулирование (при постоянном одновременном запирании вентилей: модулирование за счет изменения момента отпирания вентилей). В этом слу чае высокий коэффициент мощности при котором потребляется энергия от сети переменного тока при шйротно-импульсном регулировании дополняется хорошей формой кривой выходного напряжения. Формула изобретения 1, Преобразовательное устройство со звеном постоянного тока, содержащее основные управляемые вентили, соединенные по мостовой схеме, токоограничивающие элементы, групповые коммутирующие управляемые вентили, один из заткимов каждого из которых соединен с объединенным зажимом индивидуальных коммутирующих диодов, второй зажим каждого из них соединен с одноименным зажимам одного тлз основных управляемых вентилей, и источник коммутирующего напряжения, отличающееся тем, что,, с цепью снижения массы и габаритов за счет повышения степени использования источника коммутирующего напряжения, вторые зажимы групповых коммутирующих вентилей соединены между собой и с зажимом источника коммутирующего напряжения, второй зажим которого соединен с отводом в звене постоянного тока, например, со средней точкой источника питания. . 2.Устройство по п. 1, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, отвод выполнен в виде общей шины цепочки из двух последовательно соединенных вентилей, подключенных к звену постоянного тока встречно полярности его напряжения. 3.Устройство по п. 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, общие шины индивидуальных коммутирующих групп диодов соединены между со1бой дополнительным управляемым вентилем. 4.Устройство по п. 2, 3, о т л ичающееся тем, что, по крайней мере один из вентилей цепочки шунтирован токоограничивающим элементом, например, резистором. 5.Устройство по п. 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения его перегрузочной способности, по крайней мере один из вентилей цепочки шунтирован управляемым вентилем, включенным встречно по отношению к вентилю.

«м

1«Д

Cf

«N

i

«О

J