Тиристорный преобразователь постоянного напряжения в переменное Советский патент 1981 года по МПК H02M7/515 

(54) ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО /НАПР51ЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и предназ начено для создания источников элект ропитания цехов на повьшенной частоте,. Известны преобразователи частоты с улучшенной формой выходного напряжения, содержащие два тиристорных мо та с диодными мостами встречного тока, выводы постоянного тока которых в обратной полярности соединены с выводами постоянного тока тиристорных мостов и через катодные дроссели соединены с входными зажимами преобразователя, причем выводы пере. менного тока диодных мостов соединены через дроссели с выводами перемен ного :ока тиристорных мостов, к этим же выводам подключены выводы первичных обмоток выходного трансформатора одна из которых соединена в звезду, а другая - в треугольник, при этсм выходная обмотка также соединена в звезду. Такие преобразователи наряду С решением задачи увеличения мощнос ти в единице рборудования позволяют получить значительное улучшение формы кривой выходного напряжения ul. Недостатком указанных преобразователей является невозможность реализовать симметрию секций преобразователя, что приводит к неравномерному распределению потребляемого тока между мостами и, следовательно, к уменьшению выходной мощности преобразователя и ухудшению качества выходного напряжения, Известно устройство для преобразования постоянного напряжения в переменное, содержащее в цепи питания две параллельные ветви из последовательно соединенных тиристоров, причем к аоложительному входному зажиму подключены общие аноды первых тирис- торов, между катода.ми которых включен конденсатор, а между отрицательными входным зажимом и катодами вторых тиристоров включены в обратной полярности диоды 23. Недостатком этого устройства является невозможность непосредственного использования его в схеме двухканального регулятора постоянного нааряжения. Для использования регулирукицей части этого устройства по указанному назначению необходимо ввести ее в схему двухканального регулятора постоянного напряжения и изменить алгоритм работы .системы управления. Наиболее близким по технической сущности является схема инвертора, со держащая два трехфазшлх тиристорных fOcтa-G отсекающими диодами и комму тирующими конденсаторами, при этом в цепь питания тиристорных ностов включены тиристоры и вторичная обмотка вольтодобавоЧного трансформатора. Пер вичная обмотка которого соединена с; выводом дополнительиого однофазного инвертора, собранного по схеме с отсекающими диодами, К выводам переменного тока трехфазных тиристорных мостов подключены вьшоды первичных обмоток выходных трансформаторовj вторичные обмотки которых включены последовател1но. При этом между выходными выводами вторичных обмоток- и нагрузкой включен трехфазный фильтр Однако распределение мощности между инверторньми мостами с помощью двух трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены последовательно, не является оптимальным с точ ки зрения массогабаритных, стоимостных и энергетических соображений. Известно, что применение одного трансформатора вместо двух на суммарную мощность выгодиее и дает выигрыш в габаритах, массе, стоимости и потерях, равный 19%. Последовательное соединение вторичш 1х обмоток трансформаторов решае проблему равномерной загрузки тиристоров мостов по току в том случае, когда отсутствуют цепи, включеннь1е параллельио первичжш обмоткам транс форматоров через отсекающие цяо}3}Л. На относительно низких частотах, ког да время, в течение которого конденсаторы подключены к трансформатсфу, мало по сравнению с шестой частью яе риода (иитервалом), оба моста загру жены равномерно. С ростом частоты вр мя перезаряда конденсаторов становит ся сравнимым с указанным интервалом. При этом возникает разбаланс токов. потребляемых мостами от источника постоянного напряжения, определяемый мехфазным и межмостовым разбапаисом конденсаторных батарей, несиьметрией управлениь, различием динамических и статических характеристик тиристоров. Таким образом, рассматриваемая схема обеспечивает равнсжерное распределение нагрузки лишь в ограниченном частотном диапазоне. Кроме того, последовательное включение вторичных обмоток в рассматриваемом инверторе приводит к тому, что прерывание тока в одной из фаз в одном мосте влечет прерывание тока в . соответствующей фазе другого моста. Действительно, прерьшание тока некоторой фазы (имеющее место .в схеме с отсекающими диодами на каждом интервале)означает, что соответствзпощая фаза трансформатора работает в режиме холостого хода и сопротивление ее вторичной обмотки велико. Но эта обмотка включена последовательно со вторичной обмоткой соответствующей фазы другого трансформатора. Таким образом, значительное сопротивление вносится в первичную цепь другого трансформатора, что равносильно прерыванию тока в соо1ветствующей фазе. С учетом различного способа подключения первичных обмоток трансформатора это ведет к искажению кривой выходного напряжения, генерируемой каждым из мостов и, следовательно, к ухудшению результирующей кривой и увеличению масса-габаритных показателей выходного шьтра. К такому же результату приводит и возникновение прерывистого режима в цепи источника питания при работе инверт9ря в разгрузочном режиме при относительно малой велшчине реактора в цепи источника питания. Таким образом, расширение диапазона мощности в рассматриваемой схеме требует увеличения массы и габаритов предлагаемых реакторов. Наличие последовательных элементов в выходных фильтрах, последовательвое включение вторичных обмото.: приводит к смягчению внешией характернст{{ки« являющейся к тому же частотозависимой. При этом минимальное значениесис темы регулирования напряжения питания, выполненное по схеме вольто- доба.вки. может состояться, по крайней мере, в компенсации нестабильности напряжения входной сети. Если принять существующий допуск в расчете на эту нестабильность {+10%-15%), то для величины вольтодобавки принимают следукицую оценку. При максимальном напряжении сети входное напряжение схемы равно . Здесь - выпрямленное напряжение при номинальном напряжении сети. При минимальном напряжении сети входное напряжение равно Таким образом, требуемая величина вольтодобавки, компенсирующая уменьшение напряжения сети составит 0,25 UftH- По отношению к номинальному значению напряжения питания инвертора (1,1 ) это составляет около 23%. Так как вторичная обмотка трансформатора вольтодобавки пропускает весь потребляемый схемой ток, то типовая мощность этого трансформатора не может составлять меньше, чем 23% от мощ ности выходного трансформатора. Учет несинусоидальности напряжения, характерного для схемы применяемого дополнительного инвертора, повышает ве личину мощности дополнительного тран форматора. Рассматриваемая схема сложна. Она содержит значительное количество вентилей, конденсаторов и три трансформатора. Способ включения трансформаторов исключает использование рдного моста в автономном режиме на Половинную мощность в тех случаях, когда это возможно (при пониженной нагрузке) или необходимо (авария во втором мосте) , так как большинство потребителей требуют фиксированной величины напряжения питания, в то время как мощность определяется величиной тока Цель изобретения - улучщение масс габаритных показателей устройства и его упрощение. : Поставленная цель достигается тем что тиристорный преобразователь Постоянного напряжения .в переменное (содержащий два трехфазных тиристорны моста, каждый с -вентильным мостом обратного тока к у по крайней мере, с тремя коммутирующими конденсаторами, соединенными в треугольнике, вершины которого связаны с выходными выводами соответствующего моста, а также импульсный регулятор постоянного напряжения, через фильтр подключенный к выводам постоянного тока тиристор- 16, ных, и вентильных мостов., причем выход одного тиристорного моста подключен к первичной обмотке трансформатора, соединенной в звезду, а выход другого тиристорного моста - к первичной обмоткеi Трансформатора, соединенной в треугольник, снабжен узлом компенсации низкочастотных колебасшй в питающем напряжении и блоком равномерного деления тока между упомянутыми мостами и стабилизации выходного напряжения, указанные первичные обмотки трансформатора выполнены на общем магнитопроводе, вершиш 1 треугольников конденсаторов подключены к выходам тиригторных мое- тов непосредственно, а выводы переменного тока вентильных мостов через введенные дроссели. При этом импульсный регулятор постоянного напряжения выполнен двухканальным, причем каждый канал регулятора выполнен в виде двух последовательно соединент)1х проходных тиристоров, между точкаьш соединения разноименных силовых электродов которых включен коммутирующий конденсатор, а выходы каналов регулятора, зашунтированйые вентилями, через LC-фильтры, подключены к шинам постоянного тока соответствующих тиристорных и вентильных мостов. Кроме того, узел компенсации низкочастотных колебаний питающего напряжения содержит два формирователя импульсов, регулируемый мультивибратор, датчик колебаний питающего напряжения, вход которого включен параллельно входным выводам преобразователя, а выход соединен с управляющим входом регулируемого мультивибратора, причем выходы последнего через формирователи импульсов соединены с управляющими входами проходных тиристоров, аноды которых образуют общую точку. При этом блок равномерного деления токов между мостами стабилизации выходного напряжения содержит дза датчика тока, включённые в цепи питания тиристорных мостов, два сумматора, первый из которых входами соединен с въпсодами датчиков тока, три усЛслителя, два из которых выходами подключены к управляннцим.входам генераторов илообразного напряжения (ГПН),а также нуль-орган, причем выход сумматора соединен с неинвертирующим входом одного усилителя и с инвертирующим 7 входом другого усилителя, запускающи входы упомянутых ГПН соединены через блоки задержки с выходами регулируем его мультивибратора, а входы - со входами нуль-органов, другие входы к торых подключены к выходу третьего усилителя, входом соединенного со вто рым сумматором, входами подключенным к введенным источнику опорного напряжения и датчику выходного напряж ния который своим входом подсоединен к выходным вьтодам преобразователя, а выходы нуль-органов через формирователи импульсов подключены к управляю щим входам проходных тиристоров, катоды которых соединены с LC-фильт- рами. На чертеже представлена принципиальная схемэ предлагаемого преобразователя частоты. Преобразователь частоты содержит два трехфазных тиристорных моста I к 2 с диодными мостами. 3 и 4 обратного тока. Выводы переменного тока диодных мостов 3 и 4 соединены через дроссели 5 и 6 с выводами переменного тока тиристорных мостов 1 и 2, соединенные также с коммутирующими конденсаторами 7 и 8 и с первичными обмотками 9 и 10 выходного трансформатора II. Вто ричная обмотка 12 выходного трансформатора соединена в звезду и подключена ко входным выводам преобразователя Положительные выводы постоянного тока тиристорных мостов I и 2 соединены .с выводами постоянного тока диодных мос тов 3 и 4 и через LC-фильтры 13 и 14 и проходные тиристоры 15 и 16 подключенЬг ко входным выводам преобразователя . Отрицательные выводы диодных мостов 3 и 4 подключены к другому входному выводу преобразователя, причем между точками проходных тиристоров 15 и 16, объединяющих разноименные силовые элементы, включен коммутирующий конденсатор 17, а входы LC-фильтров 13 и 14 зашунтированы диодами 18 и 19 в обратной полярности. К выходным выводам преобразова- теля подключен датчик 20 выходного напряжения, выходом соединеншлй с од иим из входов сумматора 21, другой вход которого соединен с источником 22 порогового напряжения, а схе мы 2 сравнения, через усилитель 23 соединен с входами двух нуль-органов 24 и 25, выходы которого соединены через формирователи 26 и 27 импуль- сов с управляющими входами проходных тиристоров 15 и 16. Катоды последних соединены с LC-фильтрами 13 и 14, Вторые входы нуль-органов 26 и 27 соединены с выходами ГПН 28 и 29, управляющие входы которых через усилители 30 и 31 соединены с выходом сумматора 32, входами соединенного с выходами датчиков 33 и 34 тока, которые включены в цепь питания тиристорных мостов 1 и 2. Запускающие входы ГПН 28 и 29 соединены через- блоки 35 и 36 задержки с выходами обоих плеч регулируемого мультивибратора 37,-которые подключены через формирователи 38 и 39 импульсов к управляющим входам проходных тиристоров 15 и 16, соединенных анодами с входным выводом преобразователя. Управляюпщй вход мультивибратора 37 соединен с выходом датчика пульсаций входного напряжения 40, подключенного ко входным выводам преобразователя. Преобразователь работает следующим образом. При подаче на входные зажиьв 1 напряжения, например, от неуправляемого выпрямителя на выходе датчика пульсаций выходного напряжения 40 появляется сигнал, который поступает на управляющий вход регулируемого мультивибратора 37 и изменяет его частоту. С увеличением (уменьшением) амплитуды входного напряжения увеличивается (уменьшается) частота мультивибратора 37. Частота работы мультивибратора выбирает-ся в пределах 600-1000 Гц из условия обеспечения заданного быст.родействия и уменьшения параметров LC-фильтров. Выходные сигналы с обоих плеч мультивибратора 37, пройдя формирователи 38 и 39 импульсов поступают на управлянгаще входь проходных тиристоров 15 и 16, аноды которых соединены вместе. Одновременно выходные сигналы мультивибратора через блоки 35 и 36 Задержки соединены с запускающими входами ГПН 28 и 29. Время задержки устйнавливается при настройке преобразователя. Цри изменении частоты мультивибратора 37 и Постоянной задержке, определяемой блоками 36 и 37j изменяется скважность работы проходных тиристоров 15 и 16 с частотой низкочасто-гной составлякнцей входного напряжения, что приводит к компенсации указлниой пульсации. 9 В системе стабилизации выходного напряжения использован вертикальн1.,й принцип управления. Сигнал с датчика 20 выходного напряжения ndcjie сум мирования его на сумматоре 21 с сигналом- опорного источника 22 и усиления усилителем 23 в виде пострянного напряжения поступает на входы нульорганов 24 и 25. На другие входы эти нуль-органов поступают сигналы с ПШ 28 и 29. Выходные сигналы нуль-органов 24 и 25 после прохождения формирователей 26 и 27 импульсов поступают на управляющие входы проходных тиристоров 15 и 16, катоды которых соединены с LC-фильтрами. Подача питающего напряжения на соответствующий тиристорный мост I или 2 происходит при одновременном включении проходных тиристоров I5 или 16. Подача импульса управления на первый проходной тиристор, например 15, при водит к выключению тиристоров 16. За держкой подачи импульсов управления на второй проходной тиристор осущест вляется регулировка среднего значения питающего напряжения т иристорного моста. 2. Система равномерного деления тока между мостами работает таким образом что в зависимости от разбалансиро ки токов мостов сдвигается начало форми рования пилообразного напряжения в ГПН 28 и 29, что приводит к перераспределению средних значений питающих напряжений тиристорньпс мостов и выравниванию токов, потребляемых мостами. Сигналы с датчиков 33 и 34 токов поступают на сумматор 32 и далее на неинвертирунлцйй вход усилителя 30 и на инвертирующий вход усилителя 31. С выхода указанных усилителей 30 и 31 сигналы поступают на управлянидие входы ГПН 28 и 29 и осуществляют сдвиг начала формирования пилообразных напряжений в ту или дру гую сторону. Тем самым ГПН используется и для стабилизации выходного напряжения, к для равномерного деления тока между мостами, что позволяет сделать систему управления очен компактной. Предлагаемое устройство наиболее целесообразно применять в качестве источника питания групповой двигател ной нагрузки на повышенные частотах, так как оно удовлетворяет следующим требованиям: значительная мощность в единице оборудования, высокое ка10чество кривой выходного напряжения, стабильность величины выходного напряжения при изменении напряжения питающей сети в широком диапазоне нагрузки (от номинальной загрузки до холостого хода преобразователя),удобство перехода на новую выходную частоту, простота ремонта и обслуживания. Высокое качество кривой выходного напряжения обеспечивается путе геометрического сложения в трансформаторе магнитных потоков, наводимых выходными токами тиристорных мостов, а также благодаря внутренней фильтрации за счет включения коммутирующей батареи параллельно обмоткам трансформатора. При зтом внутренней фильтрации подвергаются лищь гармоники с номерами 1I и выше, так как работа систолы равномерного распределения потребляемых токов обеспечивает практически полное уничтожение пятой и седьмой гармоник при геометрическом сложении магнитных потоков. Улучшение кривой выходного напряжения достигается без применения дополнительных выходных фильтров (не считая конденсаторов 7 и 8) и импульсной модуляции. Благодаря этому кривая выходного напряжения имеет коэффициент несинусоидальности, не превьшающий 5-7% в широком диапазоне частоты и нагрузки (без изменения силовой схемы) при высоком КПД всего преобразователя. Система равномерного распределения токов между мостами обеспечивает увеличение мощности в единице оборудования без применения параллельного (последовательного) включения вентилей, при котором проблема распределения токов (напряжения) возникает для каждой группы параллельно (последовательно) включеииых вентилей. .л Устройство обладает жесткой виешней характеристикой, обеспечиваемой двойной системой стабилизации выходного напряжения. Первая подсйстема реализована с помощью обратных диодов и реакторов в силовой части схемы. Оиа осуществляет компенсацию избыточной реактивной мощности коидеисаториой батареи, высвобождакяцей-, ся при разгрузке преобразователя. Тем самым внешняя характеристика инверторной части преобразователя приобретает минимально требуемую жест11кость, обеспечивающую защиту вентилей инвертора от перенапряжений. Система компенсации реактивной мощности является быстродействующей, так как силовые импульсы в цепях дросселей и диодов, осуществляющие перезаряд коммутирую1Щ1х ковденсаторов, формируются и прерываются в течение времени, меньшего одной шестой части периода. Вторая подсистема включает в себя внешнкио систему управления, регулято постоянного напряжения и фильтр и поэтому уступает цо быстродействию первой подсистеме. Однако она предна значена (помимо вьфавнивания токов) для обеспечения повышенной жесткости внешней характеристики. Так как част жесткости обеспечивается первой подсистемой, то скважность импульсов на пряжения на выходе регулятора при абсолютно жесткой характеристике пре образователя ограничена снизу 0,550,6 (при допуске на напряжения питающей сети +10%, -15% и 30% нестабильности внешней характеристики инвертора) , что уменьшает установленную мощность фильтра. Способ подключения двух мостов к нагрузке дает возможность использования одного лз мостов на половинную нагрузку при отключении второго мост (например, с целью ремонта или обслу живания) . Формула изобретения 1. Тиристорный преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий два трехфазных тиристорны моста, каждый с вентильным мостом об ратного тока и, по крайней мере, с тремя коммутирующими конденсаторами, соединенными в треугольнике, вершины которого связаны с выходными выводами соответствующего моста, а также импульсный регулятор постоянного напряжения, через фильтр подключенный к выводам постоянного тока тиристорных и вентильных мостов, причем выход одного тиристорного моста подключен к первичной обмотке трансформ тора, соединенной в звезду, а выход другого тиристорного моста - к аерви ной обмотке трансформатора,, соединенной в треугольник, отличаю щ а и с я тем, что, с целью улучжения массогабаритных показателей и упрощения, он снабжен узлом ксмпенсащш низкочастотных колебаний в питающем напряжении и блоком равнонерного деления тока между упомянутыми мостами и стабилизации выходного напряжения, указанные первичга е обмотки трансформатора выполнены на общем магнитопроводе, вершины треугольников конденсаторов подключеш 1 к выходам тиристорных мостов непосредственно, а к выводам переменного тока вентильных мостов - через введенные дроссели, импульсный регулятор постоянного напряжения выполнен двухканальным, каждый его канал выполнен в виде двух последовательно соединенных проходных тиристоров, между точками соединения разноименных силовых электродов которых включен коммутирующий конденсатор, а выходы каналов регулятора, зашуктированные вентилями через .LC-фильтры, подключеш к выводам постоянного тока соответствующих тиристорных и вентильных мостов. .2. Преобразователь по п. 1, о т личающийся тем, что узел компенсации низкочастотных колебаний питающего напряжения содержит два формирователя импульсов, регулируемый мультивибратор, датчик колебаний питающего напряжения, вход которого включен параллельно входным выводам преобразователя, а выход соединен с управляющим входом регулируемого мультивибратора, причем выходы последнего через формирователи импульсов соединены с управляющими взводами проходных тиристоров, аноды которых образуют общую точку. 3. Преобразователь по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что блок равномерного деления токов между мостами и стабилизации выходного напряжения содержит два датчика тока, вклзоченш е в цепи питания тиристорных мостов, два суммато ра, первый из которых входами соединен с выходами датчиков тока, три усилителя, два из которых выxoдa ai подкл1рчены к управляющим входам генераторов пилообразного напряжения(ГПН),а также нульорганы, причем выход сумматора соединен с неинвертирующим входом одного усилителя и с инвертируквцнм входом другого усилителя, запускающие входы упомянутых ГПН соединены с выходами регулируемого мультивибратора, а выходы - со входами нуль-орга

нов, другие входы которых подключен ны к выходу третьего усилителя, входом соединенного со вторым сумматором, входами подключенным к введен-г ным ИСТОЧНИКУ опорного напряжения и датчику выходного напряжения, котО рый своим входом подсоединен к вы ходным выводам преобразователя, а выходы нуль-органов через формирователи импульсов подключены к управляю- щим входам проходных тиристоров,, катоды которых соединены с LC-фильтраМИ . . , -

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

3.Повышение эффективности устройств преобразовательной техншси. Киев Наукова думка, ч. 4, 1973, с. 168.