Устройство для запирания тиристоров Советский патент 1980 года по МПК H02M1/08 H02M3/135 

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике, а именно к устройствам запирания тиристоров с параллельной емкостной коммутацией, и может использоваться в реверсивных и нереверсивных импульсных преобразователях постоянного тока и в автономных инверторах. Известно устройство запирания тиристора импульсного преобразователя постоянного тока, содержащее отдельный источник питания, трансформатор, коммутирующий конденсатор, дроссель, управляемый и неуправляемый вентили. Для запирания главного тиристора преобразователя последовательно с ним включена вторичная обмотка трансформатора запирающего устройства Д1. В этом устройстве при питании коммутирующего конленсатора; от источника питания низковольтного преобразователя не представляется возможным оптимально использовать реактивную мощность конденсатора. Для согласования напряжения питания преобразователя с рабочим напряжением коммутирующего конденсатора необходим отдельный источник питания. Это вызывает усложнение схемы, а, например, в устройствах, питаемых от аккумуляторов, вообще не может быть использовано. Известен также преобразователь для аккумуляторных транспортных средств, где для увеличения надежности запирания главного тиристора коммутирующий конденсатор заряжается при помощи трансформатора на напряжение, превышающее напряжение источника питания. При запирании главного тиристора конденсатор подключается непосредственно к запираемо1«1у тиристору, и через конденсатор проходит ток, равный току нагрузки 2. За счет высокого напряжения конденсатора его энергия передается в нагрузку, что с точки зрения запирания главного тиристора является бес-полезным. В результате увеличиваются габариты и стоимость конденсаторов. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, имеющее подключенную параллельно запираемому главному тиристору цепь из последовательно соединенных вспомогательного тиристора и вторичной обмотки коммутирующего трансформатора, первичная обмотка которого через тиристор гашения и комьтутирующий конденсатор связана с источнике питания и запираемым тиристором. Импульс гашения снимается со вторичной обмотки трансформатора. Это устройство может быть использовано для запирания нескольких тиристоров, работающих в разных цепях з.

Однако заряд конденсатора происходит от источника питания через последовательно соединенные тиристор гашения и первичную обмотку трансформатора. Максимальное напряжение на конденсаторе может превышать напряжение источника питания не более, чем в 1,8-1,9 раза. При использовании таких устройств в низковольтных преобразователях невозможно оптимально использовать реактивную мощность коммутирующего конденсатора, так как из-за технологических трудностей при напряжениях ниже 150-200 В удельная энергия конденсатора с понижением рабочего напряжения падает. Необходимо использовать конденсаторы большой емкости. Таким образом, устройство имеет малую надежность запирания тиристоров и большие массогабаритные показатели. В этом устройстве ток перемагничивания вторичной обмотки трансформатора должен быть меньше тока удержания вспомогательного тиристора. Так как ток удержания тиристоров обычно не нормируется, имеет сильный разброс по отдельным приборам и при изменении температуры, то это приводит к низкой надежности запирания вспомогательного тиристора, что вызывает большие трудности реализации известной схемы Кроме того,.при гашении главного тиристора одновременно с повышением напряжения на конденсаторе намагничивается сердечник трансформатора. Насыщение сердечника происходит в то время, когда напряжение на конденсаторе достигает уровня источника Питания. Скорость нарастания напряжения на конденсаторе прямо пропорциональна току нагрузки, а скорость Нс1магничивания сердечника зависит от приложенного напряжения, равного разнице между напряжением источника питания и напряжением конденсатора. Увеличение тока нагрузки приводит к более быстрому заряду конденсатора и более медленному намагничиванию средечника Таким образом, совпадение моментов времени, когда напряжение на конденсаторе достигает уровня напряжения источника питания, а сердечник достигает насыщения, возможно при определенном токе нагрузки. При изменении сопротивления нагрузки пронсходит сбой работы схемы. Это ограничивает область использования преобразователя с таким устройством запирания тиристоров. Преобразователь имеет ограничение и по изменению коэффициента заполнения, так как нет возможности

уменьшить длительность импульса тока в нагрузке ниже значения, определяемого временем заряда коммутирующего конденсатора.

Цель изобретения - повышение надежности запирания тиристоров в низковольтных преобразователях, улучшение массо-габаритных показателей и расширение диапазона изменения нагрузки и регулирования.

Указанная цель достигается тем, что устройство для запирания тиристоров , содержащее i подключенную параллельно запираемому тиристору цепь из последовательно соединенных вспомогательного тиристора и обмотки коммутирующего трансформатора, коммутирующи конденсатор и источник питания, снабжено реверсивным переключателем, через который коммутирующий конденсатор подключен ко вторичной обмотке трансформатора.

В качестве реверсивного переключателя может быть использован мост на yпpaвляe «x вентилях, в диагональ переменного тока которого включен дрос ;;ель, последовательно с которым включен коммутирующий конденсатор, а диагональ постоянного тока подключена ко вторичной обмотке трансформатора.

Для надежного запирания вспомогательного тиЕ истора устройство снабжено управляемым прерывателем, подключенным последовательно к отпайке первичной обмотки трансформатора и соединенными последовательно неуправляемым вентилем и дополнительной обмоткой трансформатора, конец которой соединен последовательно с началом первичной обмотки, при этом неуправляемый вентиль подключен к источнику питания втречно.

Кроме того, для расширения диапазона регулирования и нагрузки устройство снабжено соединенными последовательно перезарядным дросселем и управляемым вентилем, подключенными ко вторичной обмотке трансформатора, который снабжен вторичной дополнительной обмоткой, включенной согласно последовательно с первичной обмоткой трансформатора.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 принципиальная схема варианта осуществления устройства; на фиг. 3 возможная модификация реверсивного переключателяJ на фиг.4 и 5 - диаграммы токов и напряжения устройства.

Запирающее устройство 1 используется для запирания тиристора 2 импульсного преобразователя 3 постоянного тока и тиристоров 4-6 инвертора 7. Запирающее устройство 1 содержит коммутирующий трансформатор 8 коммутируюишй конденсатор 9, подсоединенный через реверсивный переключатель 10 ко вторичной обмотке 11 транформатора. Трансформатор 8 имеет первичную обмотку из двух частей 12 и 1 дополнительные обмотки 14 - 16. Цепь из первичной обмотки трансформатора 8 и последовательно соединенным вспомогательным тиристором 17 параллельно подключена к запираемому тиристору 2. Дополнительная обмотка 16 последовательно соединена с ка;кдым из вспомогательных тиристоров 18 - 20. Эти цепи параллельно подключены соответственно к запираемым тиристорам 4-6 инвертора 7. Реверсивный переключатель 10 (фиг. 2) выполнен в виде моста из переключающих тиристоров 21 - 24, в диагональ переменного тока которого включена цепь из коммутирующего конденсатора 9 и последовательного дросселя 25, а диагональ постоянного тока содержит последовательную цепь из перезарядного тиристора 26 и перезарядного дросселя 27.

Запирающее устройство 1 содержит также зарядный тиристор 28, источник 29 питания, управляемый прерыватель в виде транзистора 30 и неуправляемый вентиль 31. Транзистор 30, отпайка 12 первичной обмотки и источник 29 питания образуют контур перевода намагничивающего тока. Дополнительная обмотка 14 трансформатора, неуправляемый вентиль 31, подключенный к источнику 29 питания встречно, образуют контур гашения намагничивающего тока.

Преобразователь 3 постоянного тока 3 имеет нагрузку 32 и обратный диод 33. Реверсивный переключатель 10 (фиг. 3) выполнен на двух управляемых вентилях 34 и 35, катод и анод которых общей точкой подключены к последовательной цепи из конденсатора 9 и дросселя 25, другой конец цепи соединен со средним выводом вторичной обмотки 11. Начало и конец вторичной обмотки 11 соединены соответственно с анодом вентиля 34 и катодом вентиля 35.

Принцип работы устройства (при условии, что коммутирующий конденсатор разряжен) заключается в следующем.

Подачей управляющих импульсов на тиристоры 28, 21 и 24 начинается подготовительный цикл работы устройства (интервал времени Д1 на фиг. 4 и 5). Конденсатор 9 заряжается по цепям; 29-12-13-15-28-29 и 11-21-25-9-24-11. Дополнительная обмотка 15 служит для уменьшения передаточного отношения трансформатора 8, чтобы повышение напряжения на конденсаторе при колебательном заряде не превышало нужного уровня. Когда ток колебательного заряда уменьшится до нуля, открывают транзистор 30, и к тиристору 28 прикладывается обратное напряжение . Соотношение количества витков обмоток 12 и 11 выбирают такиг

чтобы напряжение на трансформаторе при открытом транзисторе 30 было бы несколько ниже уровня напряжения на конденсаторе. Поэтому через транзистор 30 проходит только, намагничивающий ток трансформатора 8. После восстановления запирающих свойств тиристора 28 закрывают транзистор 30, и ток намагничивания переходит в контур гашения: 14-31-29-14. Так как напряжение на трансформаторе 8 изменяОет знак, то начинается размагничивание сердечника трансформатора током обмотки 14 по цепи:29-31-14-29. Источник питания имеет емкость достаточную, чтобы повышение напряжения

5 на нем во время размагничивания сердечника не превышало допустимого. Размагничиванием сердечника подготовительный цикл оканчивается.

Для подачи запиранлдего импульса, например, на тиристор 2 импульсного

0 преобразователя 3 постоянного тока импульсами управления открывают тиристоры 22, 23 и 17. Из тиристора 2 ток коммутирует в тиристор 17 (начало рабочего цикла в интервале i.t2 на

5 фиг. 4 и 5). Во время коммутации напряхсение конденсатора 9 прикладывается к дросселю 25. По окончании коммутации напряжение конденсатора 9 через трансформатор В прикладывается к

0 тиристору 2 в обратном направлении, и последний запирается. Конденсатор 9 разряжается током нагрузки преобразователя 3 по цепям:9-25-22-11-23-9 и 17-32-29-12-13-17. После разряда

5 конденсатора 9 начинается его, заряд в обратном направлении по тем же цепям. Когда напряжение на конденсаторе 9 станет равным напряжению источника 29 питания, отнесенного к обмотке 11 трансформатора 8, начнется ком0мутация тока из тиристора 17 в обратный диод 33 преобразователя 3. В процессе коммутации ток дросселя 25 уменьшается до нуля, а запасенная в нем энергия переходит в конденсатор

5 9. Так как в процессе коммутации контур тока охватывает и источник питания, то в конденсатор 9 поступает энергия и от этого источника. Таким образом, происходит дозаряд коммути0рующего конденсатора в функции тока нагрузки. Когда токи конденсатора 9 и тиристора 17 уменьшатся до нуля, отпирают транзистор 30, и тиристор 17 запирается. После восстановления

5 запирающих свойств тиристора 17 транзистор 30 закрывают, и намагничивающий ток трансформатора 8 переходит в контур гашения:14-31-29-14 и уменьшается до нуля. На этом один рабочий цикл запирающего устройства заканчи0вается, и устройство сразу же готово для подачи нового запирающего импульса (следующий рабочий цикл) через любые вспомогательные тиристоры 17-20 без перезаряда конденсатора между

5 |рабочими циклами. Надежное . вспомогательных тиристоров 17-20 до- стигается последовательным включением с коммутируквдим конденсатором 9 дросселя 25, а также наличием контуров перевода и гашения намагничивающего тока. Если индуктивность рассеяния трансформатора 8 достаточна, то необходимость в дросселе 25, который служит для повышения напряжения на коммутирующем конденсаторе 9, отпадает. Во время запирания вспомогательных тиристоров намагничивающий ток трансформатора 8 переводится в контур перевода для отключения их от намагничивающего тока. По окончании рабочего цикла намагничивающий ток переводится в контур его гашения, причем неуправляемый вентиль 31 этого контура включен по отношению к источнику питания встречно, а относительно намагничивающего тока в конце рабочего цикла - согласно. Если время выключения переключающих тиристоров 21-24 или 34 и 35 зна чительно больше времени выключения вспомогательных тиристоров, рабочий цикл трансформатора симметричный, то введение контуров перевода и гашения намагничивающего тока необязательно. Цикл работы запирающего устройств при резком увеличении сопротивления нагрузки (интервал времени фиг. 4 и 5) следующий. В начале цикла импульсы управлени подают на тиристоры 21, 24, 26 и 17. Запирание, например, тиристора 2 про исходит анш:огично предыдущему циклу но конденсатор 9 перезаряжается в основном через тиристор 26 по цепи: 9-24-27-26-21-25-9. При перезарядке часть энергии рассеивается в виде тепла, поэтому напряжение на коммутирующем конденсаторе 9 из цикла в цикл уменьшается. Пополнение запаса энергии коммутирующего конденсатора 9 осуществляется путем открывания ти ристора 28. Когда тиристор 28 включе то конденсатор 9 заряжается от источ ника питания по цепям: 29-J.2-13-15-28-2.9 и 11-21-25-9-24-11 и за счет энергии, запасенной в магнитных цепях дросселей 25 и цепи; 27-26-21-25-9-24-27. Выбором момента времени включения тиристора 28 можно поддерживать напряжение на конденсаторе 9 на необходимом уровне. Чем раньше открыть тиристор 28, тем боль ше амплитуда напряжения на конденсаторе 9. По окончании перезаряда конденсатора 9 открывают транзистор 30, к тиристорам 28, 26 и 17 прикладывается обратное напряжение, и они запи раются (тиристоры 28 и 17 могут закрываться и раньше). Цикл заканчивается размагничиваадёйТуСврдечника трансформатора 8./ Если требуется от преобразователя 3 или инвертора 7 малый коэффициент аполнения, то тиристоры 2, 4-6 не ткрывают. Например, для подачи импульса тока в нагрузку 32 преобразоателя 3 открывают тиристоры 22, 23 к 26, и конденсатор 9 начинает перезаряжаться. Затем открывают тиристор 17, и источник питания 29 соединяется с нагрузкой по цепи;29-12-13-17-32-29. Далее цикл работы запирающего устройства продолжается, как и в ранее рассмотренных случаях. Увеличение промежутка времени между импульсами управления тиристоров 22, 23 и 26 {или 21, 24 и 26) и тиристора 17 вызывает уменьшение длительности импульса тока, подаваемого в нагрузку 32. Этим можно уменьшить коэффициент заполнения до нуля. Работа запирающего устройства при запирании тиристоров 4-6 инвертора 7 не отличается от работы устройства при запирании тиристора 2 преобразователя 3. Напряжение на коммутирующем конденсаторе 9 поддерживается на таком уровне, чтобы бьшо обеспечено запирание наиболее загруженного из тиристоров 2, 4-6. Преимущество изобретения в сравнении с известными решениями состоит в использовании новых связей - коммутирующий конденсатор развязан от источника питания и запираемого тиристора и подключен ко вторичной обмотке трансформатора через реверсивный переключатель. Формула изобретения 1.Устройство для запирания тиристоров , содержащее подключенную параллельно запираемому тиристору цепь из последовательно соединенных вспомогательного тиристора и обмотки коммутирующего трансформатора, коммутирующий конденсатор и источник питания, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности запирания тиристоров в низковольтных преобразователях и улучшения массо-габаритных показателей, оно снабжено ревецсивным переключателем, через который коммутирующий конденсатор подключен ко вторичной обмотке трансформатора. 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что реверсивный переключатель выполнен в виде моста на управляемых вентилях, в диагональ переменного тока которого включен дроссель, последовательно с которым включен коммутирующий конденсатор, а диагонгшь постоянного тока подключена ко вторичной обмотке трансформатора. 3.Устройство по п. 1, отличающ-ееся тем, что, сцелью надежного запирания вспомогательного тиристора, оно снабжено управляемым препывателем., подключенным последовательно к отпайке первичной обмотки трансформатора и соединенными последовательно неуправляемым вентилем и дополнительной обмоткой трансформатора, конец которой соединен последовательно с началом первичной обмотки при этом неуправляемый вентиль подключен к источнику питания встречно. 4. Устройство по пп. 1 и 3, о тличающееся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования и изменения нагрузки, устройство снабжено соединенными последовательно перезарядным дросселем и управляемым вентилем, подключенными

ко вторичной обмотке трансформатора, который снабжен второй дополнительной обмоткой, включенной согласно последовательно с первичной обмоткоА трансформатора. с Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

1.Глазенко Т.Д. и др. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. М., Энергия, 1973, с. 66, рис. 2 и 176.

2.Патент ОНА 3667021, кл. Н 02 Р 5/16, 1972.

3. Патент ФРГ 2062193, кл. Н 02 М 1/08, 1975.