Преобразователь переменного напряжения в постоянное Советский патент 1982 года по МПК H02M7/12 

1

Изобретение относится к полупроводниковой преобразовательной технике и может быть использовано в любых выпрямительных агрегатах - силовых, зарядных, для питания электропривода, гальванических ванн, электролизных установок и т. п.

Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий две группы вторичных обмоток силового трансформатора, соединенные в звезду и .две группы управляемых вентилей, подключенных ко вторичным обмоткам а также два дополнительных неуправляемь1Х выпрямителя, соединенных с общей точкой управляемых вентилей через дополнительный управляемый вентиль на группу и конденсаторы, включенные между нулевыми точками звезд вторичных обмоток и дополнительными неуправляемыми выпрямителями 1.

Указанный преобразователь имеет относительно высокий коэффициент мощности за счет применения широтного регулирования.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный мостовой выпрямитель, анодная

группа которого образована двухоперационными тиристорами, т. е. тиристорами, запираемыми по управляющему электроду, а катодная - однооперационными тиристорами, которые только отпираются по уп5 равляющему электроду. Преобразователь снабжен устройством для сброса в нагрузку энергии, которая накапливается в анодных индуктивностях (индуктивностях рассеяния трансформатора питающей сети) к

10 моменту запирания двухоперационных тиристоров. Это позволяет сохранить при ПJИротном регулировании достаточно высокий КПД 2.

К недостаткам данного устройства относится большая стоимость вентилей, обу5 словленная сложностью конструкции и нетехнологичностью двухоперационных тиристоров. Кроме того, в прототипе равенство 1 еще не обеспечивает равенства коэффициента мощности х. единице, так как

20 по мере снижения выходного напряжения уменьщается коэффициент искажения кривой тока и с ним коэффициент мощности )coscp. Существенно увеличить - традиционными, т. е. резонансными, сетевыми фильтрами нельзя, так как при глубоком регулировании спектр тока очень широк, - требуется подавлять десятки гармоник. Помимо понижения коэффициента мощности, искажения кривой потребляемого тока приводят к искажениям формы сетевого напряжения, что также весьма вредно. Целью изобретения является уменьшение стоимости и повышение коэффициента мощности во всем диапазоне регулирования. Цель достигается тем, что в преобразователе переменного напряжения в постоянное, содержащем силовой трансформатор, первичная обмотка которого подключена к выводам сети, а вторичная обмотка - ко входным выводам, соединенным с трехфазным выпрямительным мостом на двух группах вентилей, общие точки которых образуют входные выводы с подключенным к ним неуправляемым вентилем, дополнительную группу неуправляемых вентилей, одни выводы которых присоединены ко входным выводам, а другие объединены и подключены к конденсаторной батарее и двухоперационному тиристору, свободный вывод которого соединен с одним из выходных выводов, а другой выходной вывод соединен со свободным выводом конденсаторной батареи, блок управления вентилями, одна группа вентилей трехфазного выпрямительного моста выполнена на комбинированно выключаемых вентилях, а другая группа - на неуправляемых вентилях, анод двухоперационного тиристора присоединен к объединенным катодам дополнительной группы неуправляемых вентилей, а указанный блок управления вентилями выполнен согласующим во времени моменты выключения комбинированно выключаемых вентилей трехфазного выпрямительного моста с моментами включения двухоперационного тиристора. Кроме того, эта цель достигается тем, что в преобразователе первичная обмотка силового трансформатора соединена в звезду, при этом между каждым выводом сети и фазой указанной обмотки включены введенные продольные реакторы, вторичная обмотка силового трансформатора также соединена в звезду, а к выводам фаз указанной обмотки подключены введенные поперечные резонансные индуктивно-емкостные фильтры. Комбинированно выключаемые вентили, примененные в устройстве, являются видом запираемых вентилей, более технологичным и дешевым по сравнению с двухоперационными в прототипе. Однако их применение в схеме прототипа потребовало бы ее усложнения за счет введения узлов искусственной коммутации. На фиг. 1 представлена схема преобразователя; на фиг. 2 - временные диаграммы управляющих импульсов и фазного тока. Преобразователь содержит комбинированно выключаемые вентили 1-3 и неуправляемые вентили 4-6, образующие трехфазный выпрямительный мост, подключенный ко вторичным обмоткам 7-9 силового трансформатора 10. Первичные обмотки 11 -13 силового трансформатора через продольные реакторы 14-16 присоединены к выводам сети 17-19. К выходу трехфазного выпрямительного моста присоединены управляемый вентиль 20 и сглаживающий дроссель 21. Нагрузка подключается к устройству через его выходные выводы 22 и 23. Выводы фаз вторичной обмотки силового трансформатора подключены к поперечным резонансным индуктивно-емкостным фильтрам, состоящим из дросселей 24- 26 и конденсаторов 27-29. Фильтры настроены на пятую гармонику по отношению к частоте питающей сети. Ко входу трехфазного выпрямительного моста подключена дополнительная группа неуправляемых вентилей 30-32, объединенные катоды которой соединены с положительным полюсом конденсаторной батареи 33 и двухоперационным тиристором 34. На фиг. 2 принятые следующие обозначения:и /V/ - линейные напряжения питающей сети; 1с - отпирающие импульсы вентиля 1; U - его запирающие импульсы; аналогично 2с, 2}, 3с, Зз, 34с, 34з - отпирающие и запирающие импульсы вентилей 2, 3 и 34; io,/V/ - временная диаграмма тока фазы трехфазного выпрямительного моста. В паузах, когда вентили 1, 2, 3, 34 заперты, ток в нагрузке поддерживается почти постоянным за счет действия ЭДС самоиндукции дросселя 21 в контуре 21 и 22, нагрузках 23, 20, 21. При отпирании, например, вентиля 1 импульсом 1 серии 1с возникает ток в цепи 7, 1, 20, 5, 8. Этот ток растет приблизительно по линейному закону до величины тока нагрузки. В момент равенства рассматриваемого тока и тока нагрузки неуправляемый вентиль 20 запирается. Теперь ток течет по цепи 7, 1, 21 и 22, нагрузка 23, 5, 8 и, благодаря действию ЭДС самоиндукции дросселя 21, остается примерно постоянным. Блок управления выдает очередной импульс 1з и одновременно импульс 34с. Напряжение на конденсаторной батарее 33 больше линейного напряжения Uae и к цепи вентиля 1 прикладывается отрицательное напряжение. Происходит комбинированное выключение этого вентиля (практически мгновенно). Возникающая при этом в анодных индуктивностях ЭДС самоиндукции отпирает вентиль 30 и идет заряд конденсаторной батареи 33 в контуре 7, 30, 33, 5, 8; ток i уменьщается. Одновременно происходит разряд батареи 33 по контуру 33, 34, 21 и 22, нагрузка, 23, 33. Так как конденсаторная батарея 33

разряжается примерно постоянным током нагрузки, а заряжается убывающим током ifl, то, в целом, при открытом вентиле 34, конденсаторная батарея 33 разряжается. После запирания вентиля 34 импульсом 34j, батарея 33 заряжается до тех пор, пока ток ia не спадает до нуля. Аналогично происходят другие циклы работы устройства. Например, цикл после импульса 2с серии 1с отличается лишь тем, что под действием напряжения Uac в работу вступают вентили 1, б, а сброс энергии индуктивностей схемы в батарею 33 производится через вентили 30 и 6.

Благодаря сбросу накопленной энергии в батарею 33 напряжение на этих конденсаторах всегда выше амплитуды линейного вторичного напряжения трансформатора 10. Средний уровень этого превышения определяется соотношением времен заряда и разряда батареи 33. В свою очередь, длительность заднего фронта импульса тока ia зависит от уровня напряжения на батарее 33. Так, если уменьшить фазовый сдвиг 34j относительно 34с, то напряжение на батарее 33 повышается и длительность заднего фронта i о. уменьшается.

Мощность, передаваемая в нагрузку, определяется шириной импульсов ia и, таким образом, зависит от фазового сдвига импульсов Ij (2j, 3j) относительно импульсов It (2с, 3с).

Наконец, cos р агрегата определяется положением импульсов ia(ie, ic) относительно напряжения питающей сети.

Блок управления вентилями может быть построен из широко известных узлов и элементов в любом дискретном или интегральном исполнении. Он состоит из синхронизатора, формирующего импульсы в моменты прохождения сетевого напряжения через нуль для запуска тринадцати фазосдвигающих устройств и четырех выходных каскадов.

Шесть фазосдвигающих устройств выдают отпирающие импульсы для комбинированно выключаемых вентилей, их выходы соединяются на входах трех выходных каскадов через разделительные диодные ячейки ИЛИ.

Аналогично соединяются выходы шести других фазосдвигающих устройств, подающих на другие входы выходных каскадов запирающие импульсы комбинированно выключаемых вентилей.

Кроме того, через аналогичные разделительные диодные ячейки ИЛИ эти импульсы попадают на вход отпирания выходного каскада двухоперационного тиристора и на RS-триггер.

Импульс с выхода RS-триггера запускает тринадцатое фазосдвигающее устройство, которое подает запирающий импульс на двухоперационный тиристор.

Трапецеидальная (треугольная) форма тока с достаточной и равной длительностью передних и задних фронтов обеспечивает относительно высокий коэффициент искажения кривой тока , благоприятный гармонический состав и отсутствие гармоник, кратных трем. Этим облегчаются фильтры. Замыкание гармоник внутри агрегата благодаря продольным реакторам позволяет иметь близким к единице не только коэффициент сдвига, но и коэффициент мощности. Использование комбинированно выключаемых вентилей вместо двухоперационных и диодов вместо однооперационных тиристоров значительно снижает стоимость устройства. Кроме того, преобразователь практически не искажает форму входного напряжения, даже при соизмеримых мощностях.

Формула изобретения

20

1. Преобразователь переменного напряжения в постоянное, содржащий силовой трансформатор, первичная обмотка которого подключена к выводам сети, а вторичная обмотка - ко входным выводам, соединенным с трехфазным выпрямительным мостом на двух группах вентилей, общие точки которых образуют входные выводы с подключенным к ним неуправляемым вентилем, дополнительную группу неуправляемых вентилей, одни выводы кото0рых присоединены ко входным выводам, а другие объединены и подключены к конденсаторной батарее и двухоперационному тиp ICTopy, свободный вывод которого соединен с одним из выходных выводов, а другой выходной вывод соединен со свободным

5 выводом конденсаторной батареи, блок управления вентилями, отличающийся тем, что с целью уменьшения стоимости, одна группа вентилей трехфазного выпрямительного моста выполнена на комбинированно вы0ключаемых вентилях, а другая группа - на неуправляемых вентилях, анод двухоперационного тиристора присоединен к объединенным катодам дополнительной группы неуправляемых вентилей, а указанный 5 блок управления вентилями выполнен согласующим во времени моменты выключения комбинированно выключаемых вентилей трехфазного выпрямительного моста с моментами включения двухоперационного тиристо0. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента мощности во всем диапазоне регулирования путем улучшения формы потребляемого из сети тока, первичная обмотка силового трансформатора соединена в звезду, при этом между каждым выводом сети и фазой указанной обмотки включены введенные продольные реакторы, вторичная обмотка силового трансформатора также соединена в звезду, а к выводам фаз указанной обмотки подключены введенные поперечные резонансные индуктивно-емкостные фильтры.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 693520, кл. Н 02 М 7/12, 1977.

2.Авторское свидетельство СССР 760347, кл. Н 02 М 7/12, 1978.

1

И

22

Фаг. 1

f9

0

-2J о

и

и

ir