Тиристорный преобразователь частоты Советский патент 1981 года по МПК H02M7/515 H02M5/27 

Изобретение относится к электронике и может быть использовано в частотно-регулируемых приводах переменного тока, преимущественно в высоковольтных частотнорегулируемых приводах.

Известен преобразователь ча стоты, содержащий мостовой регулируемый выпрямитель, который через LC-фильтр соединен с автономным инвертором напряжения, включающий мост основных тиристоров, мост коммутирующих тиристоров, мост диодов обратного тока, коммутирующие LC-цепи 1

Недостатком такого преобразователя является снижение коммутационной способности на низких частотах и зависимость напряжения на коммутирующих конденсаторах от тока нагрузки преобразователя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является тиристорный преобразователь частоты, содержащий управляемый источник постоянного тока, выходными выводами связанный с тинами питания тиристорного инвертора напряжения, включающего в себя основной мост тиристоров, мост коммутирующих тиристоров, мост диодов обратного тока, коммутирующие ЬС-цепочки, включенные

между вы.ходными выводами основного и коммутирующего мостов, и, по крайней мере, один источник подзаряда. своими выходными выводами связанный с точками объединения анодов и с точками объединения катодов моста коммутирующих тиристоров, причем точка объединения анодов моста коммутирующих тиристоров подключена к плюсовой шине питания инвертора через разделительный диод в непроводящем направлении, точка объединения катодов моста коммутирующих тиристоров подключена к минусовой щине питания инвертора, а плюсовой вывод источника подзаряда подключен к точке объединения анодов моста коммутирующих тиристоров через подзаряДный тиристор. Выпрямление сетевого напряжения

в таком преобразователе осуществляется регулируемым выпрямителем, собранным по трехфазной мостовой схеме и далее сглаживается LC-фильтром, причем величина выпрямленного напряжения определяется углом зажигания управляемых вентилей выпрямителя. Выпрямленное и сглаженное напряжение поступает на вход автономного инвертора напряжения, где инвертируется мостовым трехфазным инвертором, на вы.ходе которого генерируется переменное трехфазное напряжение регулируемой амплитуды и частоты, отношение между которыми определяется блоком регулирования преобразователя. Так как источник подзаряда коммутирующих конденсаторов через подзарядный тиристор подключен параллельно мосту коммутирующих тиристоров и обеспечивает односторонний дозаряд коммутирующих конденсаторов после цикла коммутации основных тиристоров, то в случае, если напряжение на коммутирующем конденсаторе станет выше напряжения источника подзаряда, подзарядный тиристор не сможет включиться из-за того, что потенциал катода подзарядного тиристора будет выше, чем потенциал его анода 2.

Недостатком такого тиристорного преобразователя частоты является то, что разделительный диод необходимо выбрать на напряжение равное напряжению источника подзаряда. Это определяется тем, что напряжение источника подзаряда UM. выбирается из условия сохранения постоянства коммутирующей способности преобразователя таким образом, чтобы

и. Uci,(1)

где l/ol -максимальное напряжение регулируемого выпрямителя преобразователя.

Например, если входное напряжение преобразователя будет 380 В, то максимальное выходное напряжение регулируемого выпрямителя определяется известной формулой

UoL ,35 380 1,35 514 В (2)

Тогда согласно формулы (1) напряжение источника подзаряда необходимо выбрать 520-550 В. Таким образом, к разделительному диоду прикладывается разность напряжений

ди и,1 -Ud(3)

В случае, если напряжение Ud. на выходе выпрямителя равно нулю или мало по величине, что соответствует останову двигателя или работе его на низких частотах (1-3 Гц), к разделительному диоду прикладывается напряжение Д U Un . Таким образом, очевидно, что данный тиристорный преобразователь частоты предпочтителен при низком напряжении его питания (220 В, 380 В, 660 В). В случае выполнения высоковольтного тиристорного преобразователя с входным напряжением, например 6000 В, напряжение источника подзаряда составит порядка 10000 В. Таким образом, для осуществления высоковольтного преобразователя по данной схеме необходимо выполнить высоковольный источник подзаряда (высоковольтный трансформатор, высоковольтный выпрямительный мост, высоковольтный фильтр), а разделительный диод и подзарядный тиристор необходимо выполнять в виде высоковольтного столба из последовательно набранных вентилей с вспомогательными цепями (для равномерного

деления напряжения между последовательно включенными вентилямии цепями контроля состояния вентилей).

Цель изобретения - уменьшение установленной мощности преобразователя, снгжение веса и габаритов преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, .что в известном устройстве, содержащем управляемый источник постоянного тока, выходными выводами связанный с щинами питания тиристорного инвертора напряжения, включающего в себя основной мост тиристоров, мост коммутирующих тиристоров, мост диодов обратного тока, коммутирующие ljC-цепочки, включенные между выходными выводами основного и коммутирующих мостов и, по крайней мере, один разделительный диод, включенный в проводящем направлении между одними одноименными по полярности выводами постоянного тока основного моста тиристоров и моста коммутирующих тиристоров, причем другие одноименные по полярности выводы этих мостов объединены между собой, а также подзарядную цепочку из последовательно включенных источника подзаряда и подзарядного тиристора, одним концом подключенную к 5 точке соединения одного электрода разделительного диода с выводом постоянного тока моста коммутирующих тиристоров другой конец подзарядной цепочки подключен к другому электроду разделительного диода.

На фиг. 1 и 2 изображены схемы выпол0 нения преобразователей.

Преобразователь на фиг. 1 содержит регулируемый выпрямитель 1, состоящий из тиристоров 2-7, выход которого через силовой фильтр 8, содержащий индуктивность

5 9 и емкость 10, подключен к входу автономного инвертора 11 напряжения. Автономный инвертор 11 напряжения содержит мост 12 основных тиристоров, выходы переменного тока которого соединены с выходами переменного тока моста 13 обратных диодов

и с двигателем 14 переменного тока, а также через коммутирующие LX -цепи, где 15- 17 - конденсаторы, а 18-20 - дроссели, с выходами переменного тока моста 21 коммутирующих тиристоров. Мост 21 коммутирующих .тиристоров включает тиристоры 22-27, а мост 12 основных тиристоров и мост 13 обратных диодов включают тиристоры 28-33 и диоды 34-39. Точка объединения анодов коммутирующих тиристоров 22-24 через разделительный диод 40 в непроводящем направлении связана с точкой объединения анодов основных тиристоров 28-30 и точкой объединения катодов обратных диодов 34-36, а точка объединения катодов коммутирующих тиристоров 25- 27 связана с точкой объединения катодов основных тиристоров и точкой объединения анодов обратных диодов 37-39. Параллельно разелительному диоду 40 подключена подзарядная цепь, состоящая из последовательно включенных источника 41 подзаряда и подзарядиого тиристора 42, причем катод подзарядного тиристора и катод разделительного диода объединены. Такое выполнение схемы преобразователя дает возможность уменьшить его установленную мощность за счёт уменьшения установленной мощности разделительного диода и подзарядного тиристора. В предлагаемом решении в контур коммутации включены разделительный диод и параллельно к нему подключена цепь, состоящая из последовательно включенных подзарядного тиристора и источника подзаряда Мощности источника подзаряда в известном устройстве и предлагаемом для одинаковых мощностей и выходных частот преобразователей равны и будут определяться добротностью.контура коммутации AQ дд С.,(4) где С - величина емкости коммутирующего конденсатора; ti -напряжение на коммутирующем конденсаторе до начала коммутации;. -напряжение на коммутирующем конденсаторе после коммутации. Для реальных контуров коммутации при добротностях 5-8 потеря напряжения ДУ за цикл коммутации составляет Ли ис,-Uti (0,1-0,15) Uc, (5 Поэтому напряжение источника подзаряда в предлагаемой схеме, как следует из (1) и (5) (Utx Uci) составляет (0,1-0,15) UcL Установленная мощность тиристора подзаряда .., в известном устройстве составляет.1 и, и«,,(7) где 1 -ток подзаряда; ц-д -напряжение источника подзаряда Уста новленная мощность тиристора подзаряда Руст. 1 в предлагаемом устройстве составляет .г Inr (8) Так как токи подзаряда в обеих схемах при одинаковых мощностях преобразователя и одинаковых выходных частотах преобразователя равны, то In.1 I П.1. , Uai Uel (I), U«.i (0,1-0,15) Uct управление (6), тогда -Pstfeti- UcLlInj. 10- (Щ) r.iO.llfA.I, PycT.1 ..(10) Аналогично относятся мощности разделительных диодов в известном устройстве и предлагаемой схеме (в формулах вместо токов подзаряда будут токи коммутации, которые равны для обеих схем). Таким образом, при входном напряжении преобразователя 6000 В в предлагаемой схеме преобразователя напряжение источника подзаряда составит около 1000 В, и в качестве разделительного диода возможно использовать один прибор, например В-200 - 12 класса. Из выщесказанного следует также, что при одинаковой мощности подзаряда в предлагаемом устройстве в случае высоковольтного преобразовате ля частоты источник подзаряда конструктивно и схемно выполняется проще. Работает тиристорный преобразователь частоты (фиг. 1) следующим образом. Выпрямление сетевого напряжения осуществляется регулируемым выпрямителем 1, собранным из трехфазной мостовой схемы и далее сглаживается ЬС-фильтром 8 и величина выпрямленного напряжения определяется углом зажигания управляемых вентилей тиристоров 2-7. Выпрямленное и сглаженное напряжение поступает на вход автономного инвертора 11 напряжения. Для получения на выходе напряжения, выходная форма которого не зависит от коэффициента мощности нагрузки, применяется 180° управление основными тиристорами, т. е. всегда открыты три тиристора, два анодной группы и один катодной и наоборот. Пусть открыты тиристоры 28, 30, 32 и конденсатор 16 заряжен полярностью указанной на фиг. I. Для запирания основного тиристора 28 включается коммутирующий конденсатор 15 и ток коммутации про.ходит по цепи 15-28-40-22-18-15. После того, как ток коммутации станет больше тока нагрузки, тиристор 28 запирается и ток разряда емкости конденсатора 15 протекает по цепи 15-34-40-22-18-15. После разряда конденсатора 15 до нуля он начинает перезаряжаться за счет энергии, запасенной дросселем 18 полярностью, указанной на фиг. 1 в скобках. Напряжение, до которого перезаряжается конденсатор 15, будет зависеть от величины энергии, запасенной дросселем 18, .которая определяется величиной тока нагрузки. В случае, если Uct. Ujaj, где l/cj -напряжение на конденсаторе посXле перезаряда; 00 -минимальное заданное напряжение на конденсаторе, необходимое для обеспечения коммутацион ной устойчивости преббразователя, о при цикле коммутации сначала вклюается коммутирующий тиристор 22 и происодит коммутация основного тиристора 28 по цепи 15-34-40-22-18-15, а затем осле окончания перезаряда конденсатора 15 полярностью, указанной на фиг. 1 в скоах, включается подзарядный тиристор 42 осуществляется процесс дозаряда коммуирующего конденсатора по цепи 15-34- 1-42-22-18-15, причем, как следует из ыщесказанного, ток коммутации поступает ерез разделительный диод 40, а ток дозаяда коммутирующего конденсатора постуает через подзарядный тиристор 42, и, таим образом, такое построение схемы ислючает протекание тока коммутации значнтельнои величины (в преобразователе с выходным током 160 А амплитуда тока коммутации составляет 600-700 А) через источник подзаряда, вследствие чего источник подзаряда обеспечивает только дозаряд коммутирующего конденсатора и мощность его составляет 2-5% от мощности преобразователя в зависимости от выходной частоты. Таким образом, к разделительному диоду 40 через включенный тиристор 42 будет прикладываться намяжение источника 41 подзаряда, которое, как указывалось ранее, составляет 0,1 Ud, вследствие чего снижается установленная мощность тиристора подзаряда и разделительного диода, что снижает установленную мощность преобразователя частоты, его вес и габариты. Аналогичным образом с сдвигом на 120° электрического периода выходной частоты работают остальные две фазы преобразователя.

Работа схемы по фиг. 2 не отличается от предлагаемой. Коммутирующие дроссели в преобразователе частоты по фиг. 2 выполнены со средней точкой. Такое включение дросселей предпочтительно при аварийном процессе, например в случае ложного отпирания одновременно двух коммутирующих тиристоров одного плеча моста 21, например тиристоров 22 и 25. В этом случае ток разряда конденсатора 10 фильтра 8 будет дополнительно ограничен дросселем 18. Выбор с.хемы преобразователя необходимо производить конкретным экономическим расчетом на основании функционального-стоимостного анализа в зависимости от его мощности и выходной частоты. При необходимости преобразователь частоты может быть дополнен рекуперативным мостом для возврата энергии в сеть.

Предлагаемый преобразователь частоты имеет преимущества перед известным в случае выполнения его на напряжения выше 3 кВ. В этом случае источник подзаряда и разделительный диод необходимо выполнять высоковольтными, т. е. выполнять в виде последовательного соединения элементов с вспомогательными цепями деления напряжения, контроля и сигнализации..Уменьшение установленной мошности разделительного диода достигается за счет снижения

приложенного к нему напряжения, а упрощение источника подзаряда происходит за счет исключения дополнительных цепей и элементов контроля и сигнализации. Снижение приложенного напряжения на обратном диоде происходит за счет снижения напряжения источника подзаряда. Снижение напряжения источника подзаряда возможно потому, что в устройство введена новая связь, а именно отрицательный вывод источника подзаряда подключен к точке объединения анода разделительного диода с анодами тиристоров основного моста.

Формула изобретения

Тиристорный преобразователь частоты, содержащий управляемый источник постоянного тока, выходными выводами связанный с щинами питания тиристорного инвертора напряжения, включающего в себя основной

мост тиристоров, мост коммутирующих тиристоров, мост диодов обратного тока, коммутирующие LC-цепочки, включенные между выходными выводами основного и коммутирующих мостов и, по крайней мере, один разделительный диод, включенный в проводящем направлении между одними одноименными по полярности выводами постоянного тока основного моста тиристоров и моста коммутирующих тиристоров, причем другие одноименные по полярности выводы

0 этих мостов объединены между собой, а также подзарядную- цепочку из последовательно включенных источника подзаряда и подзарядного тиристора, одним концом подключенную к точке соединения одного электрода разделительного диода с выводом постоянного тока моста коммутирующих тиристоров, отличающийся тем, что, с целью уменьшения массы и габаритов, другой конец подзарядной цепочки подключен к другому электроду разделительного диода.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.«Siemens Zeitscheift, 1975 № 49, Heft Т 7, с. 485, рис. 1.

2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2510704/07, 15.07.77. M

(риг. Г J