Тиристорный преобразователь постоянного напряжения в переменное

Тиристорный преобразователь постоянного напряжения в переменное

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советсиии

Социапистичесиии

Респубпии (11) 86667 1 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 16.1 1.79 (21) 2840859/24-07 с присоединением заявки М (23) Приоритет (5!)М. Кл.

Н 02 И 7/515 Ъоударстоеииый комитет

СССР ио делам изобретеиий и отирытий (5З) ДК 621.

° 314.572 (088.8) Опубликовано 230981, Бюллетень № 35

Дата опубликования описания 250981 (72) Авторы изобретения

И.И. Кантер, Н.II. Иитяшин, С.Ф. Стефнов, И.И. Артюхов ; и В.И. Лазарев

Саратовский политехнический инсти ут (71) Заявитель (54) THPHCTOPHbIH ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и предназначено для создания источников электропитания цехов на п.овышенной частоте, Известны преобразователи частоты

S с улучшенной формой выходного напряжения, содержащие два тиристорных моста с диодными мостами встречного тока, выводы постоянного тока которых

10 в обратной полярности соединены с выводами постоянного тока тиристорных мостов и через катодные дроссели соединены с входными зазгимами преобразователя причем выводы лереь

15 .менного тока диодных мостов соединены через дроссели с выводами переменного -.ока тиристорных мостов, к этим же выводам подключены. выводы первичных обмоток выходного трансформатора, одна иэ которых соединена в звезду, а другая — в треугольник, при этом выходная обмотка также соединена в звезду. Такие преобразователи наряду с решением задачи увеличения мощности в единице с1борудования позволяют получить значительное улучшение формы кривой выходного напряжения 1.1).

Недостатком указанных преобразователей является невозможность реализовать симметрию секций преобразователя, что приводит к неравномерному распределению потребляемого тока между мостами и, следовательно, к уменьшению выхорной мощносги преобразователя и ухудшению качества выходного напряжения.

Известно устройство для преобразования постоянного напряжения в переменное, содержащее в цепи питания две параллельные ветви иэ последовательно соединенных тиристоров, при" чем к положительному входному зажиму подключены общие аноды первых тиристоров, между катодами которых включен конденсатор, а между отрицательными входным зажимом и катодами вторых

866б71 частотном диапазоне.

15 тиристоров включены в обратной полярности диоды (21.

Недостатком этого устройства является невозможность непосредственного использования его в схеме двухканального регулятора постоянного напряжения. Для использования регулирующей части этого устройства по указанному назначению необходимо ввести ее в схему двухканального регуля ора постоянного напряжения и изменить апгоритм работы .системы управления.

Наиболее близким по технической . сущности является схема инвертора, содержащая два трехфазных тиристорных мос-.а-с отсекающими диодами и коммутирующими конденсаторами, при этом в цепь питания тиристорных мостов включены тиристоры и вторичная обмотка вольтодобавочнога трансформатора, первичная обмотка которого соединена с выводом дополнительного одиофазного иивертора, собранного по схеме с отсекающими диодами. К выводам переменного тока трехфазных тиристорных мостов подключены выводы первичных обмоток выходных трансформаторов, вторичные обмотки которых включены последовательно. При этом между выходными выводачи вторичных обмоток. и нагрузкой включен трехФазный фильтр (3j .

Однако распределение мощности между инверторньии мостами с помощью двух трансформаторов, вторичные об-, мотки которых соединены последовательно, не является оптимальным с точки зрения массогабаритных, стоимостных и энергетических соображений. Известно, что применение одного транс" форматора вместо двух на суммарную мощность выгоднее и дает выигрыш в габаритах, массе, стоимости и потерях, равный 193.

Последовательное соединение вторичных обмоток трансформаторов решает проблему равномерной загрузки тиристоров мостов по току в тси случае, когда отсутствуют цепи, включенные параллельно первичным обмоткам трансформаторов через отсекающие диоды.

На относительно низких частотах, когда время, s течение которого конденсаторы .подключены к трансформатору, мало по сравнению с шестой частью периода (интервалом), оба моста загружены равномерно. С ростом частоты вре мя перезаряда конденсаторов становит» ся сравнимьм с указанным интервалом. .При этом возникает разбаланс токов, 4 потребляемых мостами от источника постоянного напряжения определяемый межфазным и межмостовым разбалансом конденсаторных батарей, несимметри" ей управленим, различием динамических и статических характеристик тиристоров °

Таким образом, рассматриваемая схема обеспечивает равномерное распределение нагрузки лишь в ограниченном

Кроме того, последовательное включение вторичных обмоток в рассматриваемом инверторе приводит к тому, что прерывание така s одной из фаз в одном мосте влечет прерывание тока s .. соответствующей фазе другого моста.

Действительно, прерывание тока некоторой фазы (имеющее место .в схеме с

N отсекающими диодами на каждом интервале)означает, что соответствующая 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 соо ветствующей фазе.

C учетом различного способа подключения первичных обмоток трансформатора это ведет к искажению кривой выходного напряжения, генерируемой каждым из мостоь и, следовательно, к ухудшению результирующей кривой и увеличению масса-габаритных показателей выходного фильтра.

К такому же результату приводит и

4О возникновение прерывистого режима s цели источника нитания при работе иивертора s разгрузочном режиме при относительно малой величине реактора в цели источника питания. Таким обра45 зом, pactuHpeHHe диапазона мощности в рассматриваемой схеме требует увеличения массы и габаритов предлагаемых реакторов.

Наличие последовательных элементов

I в выходных фильтрах, последовательное включение вторичных обмото.; приводит к смягчению внешней характеристики, являющейся к тому же частотозависимой

55 При этом минимальное значение сис. темы регулирования напряжения питания, выполненное по схеме вольтодобавки. может состояться, по крайней

866671

6, 5 t0

30 мере, в компенсации нестабильности напряжения входной сети. Если принять существующий допуск в расчете на эту нестабильность (+103-153), то для величины вальтодобавки принимают следующую оценку, При максимальном напряжении сети входное напряжение схемы равно

1,! Ugg, Здесь U> — выпрямленное напряжение прн номинальном напряжении сети. При минимальном напряжении сети входное напряжение равно 0,85 U .

Таким образом, требуемая величина вольтодобавки, компенсирующая уменьшение напряжения сети составит

0,25 Ug . По отношению к номинальному значению напряжения питания инвертора (1,1 U>> ) это составляет около 23Х.

Так как вторичная обмотка трансформатора вольтодобавки пропускает весь потребляемый схемой ток, то типовая мощность этого трансформатора не может составлять меньше, чем 237. от мощности выходного трансформатора, Учет несинусоидальности напряжения. характерного для схемы применяемого дополнительного инвертора, повышает ве-. личину мощности дополнительного трансформатора.

Рассматриваемая схема сложна. Она содержит значительное количество вентилей, конденсаторов и три трансформатора.

Способ включения трансформаторов исключает использование одного моста в автономном режиме на половинную мощность в тех случаях, когда это возможно (при пониженной нагрузке) или необходимо (аварня во втором мосте), так как большинство потребителей требуют фиксированной величины напряжения питания, в то время как мощность определяется величиной тока.

Цель изобретения — улучшение массогабаритных показателей устройства и его упрощение.

Поставленная цель достигается тем, что тиристорнь1й преобразователь постоянного напряжения,в переменное (содержащий два трехфазных тиристориых 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 тиристор. ных,и вентильных мостов,, причем выход одного тиристорного моста подключен к первичной обмотке трансформатора, соединенной в звезду, а выход другого тиристорного моста - к первичной обмотке; трансформатора, соединенной в треугольник, снабжен узлом компенсации низкочастотных колебаний в питающем напряжении и блоком равномерного деления тока между упомянутыми мостами и стабилизации выходного напряжения, указанные первичные обмотки трансформатора выполнены на общем магнитопроводе, вершины треугольников конденсаторов подключены к выходам тири торных мостов непосредственно, а выводы переменного тока вентнльных мостов через введенные дроссели. При этом импульсный регулятор постоянного напряжения выполнен двухканальным, причем каждый канал регулятора выполнен в виде двух последовательно соединенных проходных тиристоров, между точками соединения разноименных силовых электродов которых включен коммутирующий конденсатор, а выходы каналов регулятора, зашунтированные вентилями, через 1 С-фильтры, подключены к шинам постоянного тока соответствующих тиристорных и вентильных мостов, Кроме того, узел компенсации низ- кочастотных колебаний питающего напряжения содержит два формирователя и.1пульсов, регулируемый мультивибра-. тор, датчик колебаний питающего напряжения, вход которого включен параллельно входным выводам преобразо40 вателя, а выход соединен с управляющим входом регулируемого мультивибратора, причем выходы последнего через формирователи импульсов соединены с .управляющими входами проходных тирис"

45 TopoB аноды K0Topblx образуют общую точку.

При этси блок равномерного деления токов между мостами стабилизации выходного напряжения содержит дза датчика тока, включенные в цепи питания тиристорных мостов, два сумматора, первлй иэ которых входами соединен с. выходами датчиков тока, три усИлителя, два из которых выходами подклюS5 чены к управляющим. входам генераторов пилообразного напряжения (ГПН),а также нуль-орган, причем выход сумматора соединен с неинвертирующим входом одного усилителя и с инвертирующим

866671 входом другого усилителя, запускающие входы упомянутых ГПН соединены через блоки задержки с выходами регулируmoro мультивибратора, а входы — со входами нуль-органов, другие входы ко- .g торых подключены к выходу третьего усилителя, входом соединенного со вторым сумматором, входами подключенным к введенным источнику опорного напряжения и датчику выходного напряж".ния, который своим вхопом подсоединен к выходным выводам преобразователя, а выходы нуль-органов через формирователи импульсов подключены к управляющим входам проходных тиристоров, катоды которых соединены с 1.С-фильтрами.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого преобразователя частоты.

Преобразователь частоты содержит два трехфазных тиристорных моста 1 и

2 с диоднымн 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 выходно;о трансформатора Il. Вторичная обмотка 12 выходного трансформатора соединена в звезду и подключена ко входным выводам преобразователя.

Положительные выводы постоянного тока тиристорных мостов 1 и 2 соединены с выводами постоянного тока диодныхмостов 3 и 4 и через-LC-фильтры 13 и 14 и проходные тиристоры 15 и 16 под-! ключей ко входным выводам преобра40 зователя. Отрицательные выводы диодных мостов 3 и 4 подключены к другому входному выводу преобразователя, причем между точками проходных тиристоров 15 и 16, объединяющих раз45 ноименные силовые элементы, включен коммутирующий конденсатор 17, а входы С-фильтров 13 и 14 зашунтированы диодами 18 и 19 в обратной голярности. К выходным выводам преобразова-; теля подключен датчик 20 выходного напряжения, выходом соединенный с одним из входов сумматора 21, другой вход которого соединен с источником

22 порогового напряжения, а вы од схемы 21 сравнения, через усилитель 23 соединен с входами двух нуль-органов

24 и 25, выходы которого соединены через формирователи 26 и 27 импульсов 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 выходамн 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 тнристорных 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. Управляющий вход мультнвнбратора 37 соединен с выходом датчика пульсаций входного напряжения 40, подключенного ко входным выводам преобразователя.

Преобразователь работает следующим образом.

При подаче на входные зажимы 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 мультивибратопа 37.

Частота работы мультивибратора выбирается в пределах 600-1000 Гц из условия обеспечения заданного быстродействия и уменьшения параметров

LC-фильтров. Выходные сигналы с обоих плеч мультивибратора 37, пройдя формирователи 38 и 39 импульсов поступают на управляющие входы 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 устанавливается при йастройке преобразователя. При изменении частоты мультивибратора 37 и постоянной задержке, определяемой блоками 36 и 37 изменяется скважность работы про1 ходных тиристоров 15 и 16 с частотой

;низкочастотной составляющей входного напряжения, что приводит к компенсации указ иной пульсации.

866671

20 и реакторов в силовой части схемы. .Эна осуществляет компенсацию части избыточной реактивной мощности конденсаторной батареи, высвобождающей-, ся при разгрузке преобразователя.

Тем самым внешняя характеристика ннверторной части преобразователя приобретает минимально требуемую жестВ системе стабилизации выходного напряжения использован вертикальнй принцип управления. Сигнал с датчика 20 выходного напряжения после суммирования его на сумматоре 21 с сиг% налом опорного и точника 22 и усиления усилителем 23 в виде постоянного . напряжения -поступает на входы нульорганов 24 и 25. На -другие входы этих нуль-органов поступают сигналы с f1IH .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 15 или 16. Подача импульса управления на первый проходной тиристор, например 15, приводит к выключению тиристоров 16. Задержкой подачи импульсов управления на второй проходной тиристор осуществляется регулировка среднего значения питающего напряжения тиристорного моста 2.

Система равномерного деления тока между мостами работает таким образом, 30 что в зависимости от разбалансиро вки токов мостов сдвигается начало формирования пилообразного напряжения в

ГПН 28 и 29, что приводит к перераспределению средних значений питающих напряжений тиристорных мостов и выравниванию токов, потребляемых мостами. Сигналы с датчиков 33 и 34 токов поступают на сумматор 32 и далее на неинвертирующий вход усилителя 30 и на инвертиру1ощий вход усилителя 31. С выхода указанных усилителей 30 и 31 сигналы поступают на управляиицие входы ГПН 28 и 29 и осуществляют сдвиг начала формирования пилообразных напряжений в ту или другую сторону. Тем самым ГПН исполь" зуется и для стабилизации выходного

1 напряжения, и для равномерного деления тока между мостами, что позволяет сделать систему управления очень S0 ксипактной ..

Предлагаемое устройство наиболее целесообразно применять в качестве источника питания групповой двигательной нагрузки на повышенных частотах, ss так как оио удовлетворяет следующим требованиям:. значительная мощность в единице оборудования, высокое ка10 чество 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 -путеМ геометрнч ского сложения в трансформаторе магнитных потоков, наводимых выходными токами тирнсторных мостов, а также благодаря внутренней фильтрации за счет включения коммутирующей батареи параллельно обмоткам трансформатора. При этом внутренней фильтрации подвергаются лишь гармоники с номерами ll и выше, так как работа системы 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 превышающий

5-?Ж в широком диапазоне частоты и нагрузки (без изменения силовой схемы) при высоком КПД всего преобразователя.

Система равномерного распределе1 ния токов между мостами обеспечивает увеличение мощности в единице оборудования без применения параллельного (последовательного) включения вентилей, прн котором проблема распределения токов (напряжения) возникает для каждой группы параллельно (последовательно) включенных вентилей..

Устройство обладает жесткой внешней характеристикой, обеспечиваемой двойной системой стабилизации выход ного напряжения. Первая подсистема реализована с помощью обратных диодов кость, обеспечивающую защиту вентилей инвертора от перенапряжени1 .

Система компенсации реактивной мощности является быстродействующей, так как силовые импульсы в цепях дросселей и диодов, осуществляющие перезаряд коммутирующих конденсаторов, формируются и прерываются в течение времени, меньшего одной шестой части периода.

Вторая подсистема включает в себя внешнюю систему управления, регулятор постоянного напряжения и фильтр и поэтому уступает по быстродействию первой подсистеме, Однако она предназначена (помимо выравнивания токов) для обеспечения повышенной жесткости внешней характеристики. Так как часть жесткости обеспечивается первой подсистемой, то скважность импульсов на- пряжения на выходе регулятора при абсолютно жесткой характеристике преобразователя ограничена снизу 0,55О,б (при допуске на напряжения питающей сети +10X, -15X и 307. 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 моста (например, с целью ремонта или обслуживания).

Формула изобретения

1. Тиристорный преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий два трехфазных тиристорных 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 тиристор ных и вентильных мостов, причем вь ход одного тиристорного моста подключен к первичной обмотке трансформа тора, соединенной в звезду, а выход другого тиристорного моста — к первичной обмотке трансформатора, соединенной в треугольник, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных показателей и

55 динен с неиивертирующим входом одного усилителя и с инвертирующим входом другого усилителя, запускающие входы упомянутых ГПН соединены с выходами регулируемого иультивибратора, а выходы - со входами нуль-орга

6671

12 упрощения, он снабжен узлом компенсации низкочастотных колебаний в питающем напряжении и блоком равнсиерного деления тока между упомянутыми мостами и стабилизации выходного напряжения, указанные первичные обмотки трансформатора выполнены на общем магнитопроводе, вершины треугольников конденсаторов подключены 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, зашунтированные вентилями через .LC-фильтры, подключены к выводам постоянного тока соответствующих тиристорных и вентильных

25 мостОВФ

2. Преобразователь по и. 1, о т— л и ч а ю шийся 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 входами проходных тиристоров, аноды которых образуют общую точку. юо

3. Преобразователь по пп . 1 и 2э отличающийся тем, что блок равномерного деления токов между мостами и стабилизации выходного напряжения содержит два датчика тока, включенные в цепи питания тиристорных мостов, два сумматора, первый из которых входами соединен с выходами датчиков тока, три усилителя, два из которых выходами подключены к уп50 равляющим входам генераторов пилообразного напряжения(ГПН),а также нуль= органы, причем выход сумматора сое13

866671 нов, другие входы которых подключены к выходу третьего усилителя, в:;одом соединенного со вторым сумматором, входами:подключенным к введен-; ным источнику опорного напряжения и датчику выходного напряжения, «ото; рый своим входом подсоединен к выходным выводам преобразователя, а выходы нуль-органов через формирователи импульсов подключены к управляю щим входам проходных тиристоров, катоды которых соединены с 1.С-фильтрами ° т!

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

l. Применение ЭИИ для анализа и проектирования вентильных преобразователей. Тезисы докладов научно-Технического семинара. Саратов, 1977, с. 13, р. l.

2. Авторское свидетельство СССР

IP 5!4381, кл. Н 02 M 7/505, !976.

3. Повывение эффективности устройств преобразовательной техники.

Киев "Наукова думка", ч. 4, 1973, с. 168.