Бесконтактное коммутационное устройство

 

1. БЕСКОНТАКТНОЕ КОММУТАЦИО НОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее силовой управляемый ключ, к выводам выходной цепи которого подключеныпараллельно две цепи, первая из которых выполнен в виде соединенных последовательно индуктивной нагрузки и источника питания, а вторая - в виде соединенных последовательно первых конденсатора и двухполюсника с вентильной проводимостью, и второй двухполюсник с вентильной проводимостью в виде последовательно соединенных первого диода и обмотки магнитного реактора, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД устройства и его надежности, в него дополнительно введены второй и третий кoндeнcaтopь второй и третий диоды, причем второй и третий кон/ онсаторы и второй и третий диоды оединены по схеме моста , в котором два одних противолежащих плеча образованы конденсаторами, а два других - диодами, катод второго диода и анод третьего диода являются двумя выводами первой диагонали моста, первый из которых соединен с первым выводом выходной цепи силового управляемого ключа, второй вывод соединен с вторым выводом выходной цепи силового управляемого ключа через первый конденсатор, а второй двухполюсник с вентильной проводимостью включен согласно между анодом второго диода и катодом третьего .

СООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ .

РЕСПУБЛИН

09) (И) (5ц Н 03 К 17/64 с

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ASTOPCHOMY CBMQETEAbCTHY

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3534254/18-2.1 (22) 03.01.83 (46) 07.09.84. Бюл. М 33 (72) Б.A. Глебов (7t) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетический институт (53) 621.382(088.8) (56) 1. Моин В.С., Лаптев H.Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М., "Энергия", 1972, с. 346, рис. 9-18а.

2. Авторское свидетельство СССР

В 936315, кл. Н 02 М 7/537, 02.04.81 (прототип). (54) (57) 1. БЕСКОНТАКТНОЕ КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее силовой управляемьпr ключ, к выводам выходной цепи которого подключены параллельно две цепи, первая иэ которых выполнена в виде соединенных последовательно индуктивной нагрузки и источника питания, а вторая — в виде соединенных последовательно первых конденсатора и двухполюсника с вентильной проводимостью, и второй двухполюсник с вентильной проводимостью в виде последовательно соединенных первого диода и обмотки магнитного реактора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения КПД устройства и

его надежности, в него дополнительно введены второй и третий конденсаторы второй и трет и диоды, причем второй и третий конденсаторы и второй и третий диоды оединены по схеме моста, в котором два одних противолежащих плеча образованы конденсато >ами, а два других — диодами, катод второго диода и анод третьего диода являются двумя выводами первой диагонали моста, первый из которых соединен с первым выводом выходной цепи силового управляемого ключа, второй вывод соединен с вторым выводом выходной цепи силового управляемого ключа через первый конденсатор, а второй двухполюсник с вентильной проводимостью включен согласно между анодом второго диода и катодом третье. го.

ll

2. Устройство по п. l о т л ич а ю щ е е с я тем, что магнитный реактор выполнен на сердечнике с нелинейной магнитной характеристикой и с двумя дополнительными обмотками, 12562 причем первая из них, соединенная последовательно с четвертым диодом, образует первый двухполюсник с вентильной проводимостью, а вторая является частью индуктивной нагрузки.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в силовой полупроводниковой преобразовательной технике.

Известно бесконтактное коммутацион-5 ное устройство, в котором последовательно с выходной цепью силового управляемого ключа включена индуктивная нагрузка, а параллельно выходной цепи — соединенные последовательно кон- 1О денсатор и диод, шунтированный резистором j1$ .

Недостаток устройства — низкий

КПД из-за потерь энергии в указанном

Ф резисторе ° 15

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является бесконтактное коммутационное устройство, содержащ)ее силовой управляемый ключ, к выводам выходной цепи которо- 20 го подключены параллельно две цепи, первая из которых выполнена в виде соединенных последовательно индуктивной нагрузки и источника литания, а вторая — в виде соединенных последо- 25 вательно первых конденсатора и двухполюсника с вентильной проводимостью и второй двухполюсник с вентильной проводимостью в виде последовательно соединенных первого диода и обмотки 30 магнитного реактора f2) .

Недостатки известного устройства состоят в низкой надежности и сложнос

I ти,так как в нем, помимо основного силового управляемого ключа, использован дополнительный и соответствующая токозадающая цепь, подключенная к входной цепи дополнительного силового управляемого ключа. Кроме того

40 при его запирании возникают дополнительные потери энергии, что снижает эффективность действия цепи рекуперации энергии; накапливаемой в каждой

) такте работы устройства в конденсато45 ре конденсаторно-диодной цепи.

Цель изобретения — повышение КПД и надежности устройства.

Эта цель достигается тем, что в бесконтактное коммутационное устройство, содержащее силовой управляемый ключ, к выводам выходной цепи которого подключены параллельно две цепи, первая из которых выполнена в виде соединенных последовательно индуктивной нагрузки и источника питания, а вторая — в виде соединенных последовательно первых конденсатора и двухполюсника с вентильной проводимостью, и второй двухполюсник с вентильной проводимостью в виде соединенных последовательно обмотки магнитного реактора и первого диода, дополнительно введены второй и третий конденсаторы, второй и третий диоды, причем второй и третий конденсаторы и второй и третий диоды соединены но схеме моста, в котором два одних противолежащих плеча образованы конденсаторами, а два других — диодами, катод второго диода и анод третьего диода являются двумя выводами первой диагонали моста, первый из которых соединен с первым выводом выходной цепи силового управляемого ключа, второй вывод соединен с вторым выводом выходной цепи силового управляемого ключа через первый конденсатор, а второй двухполюсник с вентильной проводимостью включен согласно между анодом второго диода н катодом третье"

ro.

Кроме того, магнитный реактор выполнен на сердечнике с .нелинейной магнитной характеристикой с двумя дополнительными обмотками, причем первая из них, соединенная последовательно с четвертью диодом, образует первый двухполюсник с вентильной проводимостью„ а вторая является частью индуктивной нагрузки.

Второй 10 и третий 11 конденсаторы и второй 12 и третий 13 диоды образуют схему моста, в котором два 55 ,противолежащие плеча образованы конденсаторами 10 и 11, а два другие — диодами 12 и 13.

3 11125

На фиг.1 изображена схема устройства, в котором индуктивная нагрузка выполнена в виде первичной обмотки силового трансформатора с энергопотребляющей нагрузкой на его вторичной стороне; на фиг,2 — схема, в которой энергопотребляющая нагрузка включена параллельно первому конденсатору.

Устройство (фиг.1) содержит шины

1 и 2 источника питания, силовой уп- !О равляемый ключ 3, индуктивную нагрузку 4, первый конденсатор 5, первый двухполюсник 6 с вентильной проводимостью, магнитный реактор 7 с обмоткой 8, первый диод 9, второй 10 и третий 11 конденсаторы, второй 12 и третий 13 диоды.

Индуктивная нагрузка выполнена в виде первичной обмотки силового трансформатора, на вторичной стороне которого включена энергопотребляющая нагрузка, а первый двухполюсник 6 ( с вентильной проводимостью — в виде четвертого диода 14.

В устройстве (фиг.2) магнитный реактор 7 выполнен на сердечнике с нелинейной магнитной характеристикой и содержит две дополнительные обмотки 15 и 16, из которых первая 15 и четвертый диод 14, соединенные последовательно, образуют первый двухполюсник 6 с вентильной проводимостью, а вторая обмотка 16 является частью индуктивной нагрузки 4.

В устройстве (фиг.1) к шинам 1 и

2 подключен источник питания. Между

35 этими шинами включены соединенные последовательно выходная цепь силового управляемого ключа 3 и индуктивная нагрузка 4, выполненная в виде первич40 ной обмотки трансформатора.

К выводам выходной цепи силового управляемого ключа 3, кроме того, подключена цепь.из соединенных после45 довательно первого конденсатора 5 и первого двух»олюсника 6 с вентильной проводимостью. Устройство содержит магнитный реактор 7, обмотка которого 8 и первый диод 9, соединенные последовательно, образуют второй

50 двухполюсник с вентильной проводимостью.

62 4

Катод второго диода 12 и анод первого диода 13 являются выводами первой диагонали моста, один из кото рых соединен с первым выводом выходной цепи силового управляемого ключа 3 непосредственно, а второй— соединен с вторым выводом выходной цепи силового управляемого ключа 3 через первый конденсатор 5.

Между анодом второго диода 12 и катодом третьего диода 13 включена согласно вторая цепь с вентильной проводимостью, -образованная первым диодом 9 и обмоткой 8 магнитного реактора 7. Первая цепь с вентильной проводимостью образована четвертым диодом 14.

В устройстве (фиг.2) магнитный реактор выполнен на сердечнике с нелинейной магнитной характеристикой и содержит две дополнительные обмотки

15 и 16. Первая из »их соединена последовательно с четвертым диодом

14 и образует первый двухполюсник 6 с нентильной проводимостью, а вторая— является частью индуктивной нагрузки.

Принцип действия устройства (фиг. 1) заключается в том, что емкость первого конденсатора 5 значительно больше емкости конденсаторов 10 и 11 схемы моста, а нагрузка »а вторичной стороне трансформатора подключена через диод.

В стационарном режиме работы конденсатор 5 заряжен до напряжения, превышающего напряжение питания, что связано с передачей в него части индуктивной энергии, накапливаемой в каждом такте. В начале такта работы непосредственно перед отпиранием силового управляемого ключа 3 конденсаторы 10 и 11 разряжены.

В момент отпирания силового управляемого ключа 3 напряжение на нем уменьшается почти до нуля, и через конденсатор 5 первой диагонали моста прикладывается отрицательный скачок напряжения. Этим скачком диоды 12 и.

13 моста переводятся в режим обратного смещения, а конденсаторы 10 и

11 начинают заряжаться, причем заряд имеет колебательный характер, так как в цепи заряда присутствует обмотка 8 линейного магнитного реактора 7.

При выполнении соотношения С„ =С! « Сг где С !о, С ц и С Б — емкости соответ ствующих конденсаторов 10, 11 и 5, конденсаторы 10 и 11 заряжаются до!!!2562 напряжения, равного начальному напряжению на конденсаторе 5, на котором изменение напряжения незначительно.

3а время работы силового управляемого ключа в состоянии высокой проводимости в индуктивной нагрузке 4 накапливается энергия магнитного поля.

Поэтому при запирании силового управляемого ключа 3 протекание тока по первичной обмотке силового трансформатора не прекращается. Однако этот ток теперь замыкается через конденсатор 5 и разветвляется по двум параллельным цепям: конденсатор 10— диод 12 и диод 13 — конденсатор 11. 15

В силу уравновешенности напряжений на конденсаторах 10,5 и 11,5 нарастание напряжения на силовом управляемом ключе 3 происходит плавно от нуля, а энергия, которая ранее передана 20 из конденсатора 5 в конденсаторы 10 и 11, теперь передается в индуктивную нагрузку 4. Указанная передача энергии имеет место до тех пор, пока напряжение на силовом управляемом ключе не достигнет уровня напряжения питания, а затем продолжающийся заряд конденсатора 5 и разряд конденсаторов 10 и !1 происходит за счет энергии, переданной в индуктивную 30 нагрузку 4. Указанная энергия выше, чем была накоплена в конденсаторах

10 и 11, и поэтому их разряд происходит до нуля, после чего отпирается диод 14 и заряд конденсатора 5 теперьз продолжается за счет протекания тока через этот диод. Заряд конденсатора 5 заканчивается в момент опирания диода на вторичной стороне трансформатора, когда начинается протекание тока по вторичной обмотке трансформатора.

В сравнении с известным предлагаемое устройство проще и надежнее, так

45 как не содержит дополнительный силовой управляемый ключ. Кроме того, в предлагаемом устройстве исключен процесс возврата энергии из конденсаторов 10 и 11 в источник питания, а их энергия передается сначала в ин50 дуктивную нагрузку 4, а затем во вторичную обмотку трансформатора, т.е. используется полезно, что повьппает

КПД. Исключение дополнительного силового управляемого ключа также способ- ствует повьппению КПД за счет исклю1чения потерь в его цепи управления и коммутационных потерь в выходной цепи.

Перед отпиранием силового управляемого ключа 3 (фиг ° 2) сердечник магнитного реактора 7, обладающий нелинейной магнитной характеристикой, установлен в состоянии насыщения при отрицательной намагниченности током индуктивной нагрузки.

При отпирании силового управляемого ключа 3 через проводящий диод

14 к первой дополнительной обмотке 15 прикладывается напряжение заряженного конденсатора 5, под действием которого сердечник магнитного реактора 7 начинает перемагничиваться в положительном направлении, и ИДС в нем устанавливается близкой к нулю, так как сердечник переходит в ненасыщенный режим работы, при кбтором он обладает высокой магнитной проницаемостью. 3а счет трансформации напряжения из обмотки 15 в обмотку 8,диод

9 оказывается под обратным смещением (при выборе коэффициента трансформации между этими обмотками соответствующим образом, например, равным !), чем предотвращается протекание тока заряда конденсаторов 10 и 11 через обмотку 8 магнитного реактора 7. Тогда ток коммутирующей обмотки 3! протекающий через диод 14 в обратном для диода направлении, т.е. ток )! и ток 34 индуктивной нагрузки, прот/кающей по обмотке 16, связаны соотношением, определяемым коэффициентом трансформации между обмотками 15 и

16.

Ограниченность тока, протекающего через диод 14 в обратном направлении во время его коммутации одновременно означает ограниченность тока через силовой управляемый ключ во время процесса коммутации диода 14, чем обусловлены незначительные потери энергии как в диоде 14, так и в силовом управляемом ключе 3. Во время работы диода 14 в состоянии обратной проводимости, когда через него протекает обратный ток, указанным током разряжается конденсатор 5, т.е. от последнего отбирается накопленная в нем энергия. Однако эта энергия не теряется, а ее подавляющая часть передается в индуктивную нагрузку 4, что обусловлено трансформацией напряжения из обмотки 15 в обмотку !6.

После запирания диода 14 исчезает напряжение на обмотке 8, которым до этого диод 9 поддерживается в запер1112562 том состоянии, и последний переходит в состояние прямой проводимости, вследствие чего через конденсаторы

10 и 11 начинает протекать ток, заряжающий эти конденсаторы. 5

Сначала во время заряда конденса,торов 10 и 11 полярность напряжения на обмотке 8 магнитного реактора не изменяется,,оставаясь такой же, как на интервале протекания обратного 10 тока через диод 14, а затем, когда конденсаторы 10 и 11 зарядятся до суммарного напряжения, равного напряжению на конденсаторе 5, напряжение на обмотке 8, спадавшее по абсо- 15 лютной величине по мере заряда конденсаторов 10 и 11, изменит свой знак.

До смены полярности напряжения на обмотке 8 сердечник магнитного реактора 7 продолжает перемагничиваться 20 в положитсльном направлении, оставаясь в состоянии высокой магнитной проницаемости. После смены полярности напряжения на обмотке 8 сердечник магнитного реактора 7 начинает перемагничиваться в отрицательном направлении, причем состояние высокой магнитной проницаемости сохраняется до тех пор, пока сердечник при отрицательной намагниченности не доходит ЗО до состояния насыщЕния,, после чего исчезают напряжения на обмотках магнитного реактора.

До смены полярности напряжения

35 на обмотке 8 энергия иэ конденсатора

5 в процессе заряда конденсаторов

10 и 11 передается в индуктивную нагрузку, а после смены полярности напряжения, накопленная в индуктивной 40 . нагрузке энергия возвращается, обеспечивая продолжение процесса заряда конденсаторов 10 и 11 таким образом, что сумма напряжений на них становится больше напряжения на конденсаторе 5. 45

Заряд конденсаторов происходит ограниченным током, величина которого определяется коэффициентом трансформации между обмотками 8 и 1б.

Ъ

Поскольку ток заряда конденсаторов протекает через силовой управляемый ключ 3, то ограниченным оказывается также и ток силового управляемого ключа 3. Таким образом, как на этапе обратной проводимости диода 14, так и йа этапе заряда конденсаторов 10 и 11, ток через силовой управляемый ключ 3 ограничен по абсолютной величине, чем обусловлены незначительные потери энергии в выходной цепи ключа.

Когда в процессе заряда напряжение на каждом из конденсаторов 10 и 11 достигает значения, равного напряжению на конденсаторе 5, отпирают. ся диоды 12 и 13, и заряд конденсато. ров прекращается.

После перехода сердечника магнитного реактора в состояние насыщения при отрицательной намагниченности исчезают напряжения на его обмотках и диоды 9, 12 и 13 запираются, а конденсаторы 10 и 11 остаются заряженными до напряжения, равного напряжению на конденсаторе 5.

При запирании силового управляемого ключа 3, когда ток его начинает уменьшаться, отпираются диоды 12 и

13, конденсаторы 10 и 11 начинают разряжаться. При этом напряжение на силовом управляемом ключе 3 нарастает плавно от нуля, так как в начальном по отношению к запиранию состоянии напряжение на конденсаторах 10 и 11 уравновешива т напряжение на конденсаторе 5. П. вность нарастания напряжения на силовом управляемом ключе от нуля обуславливает незначительность коммутационных потерь энергии при запирании и надежность самого процесса запирания.

После того, как за счет протекания токов через диоды 13 и 12, конденсаторы 10 и 11 полностью разряжаются, отпирается диод 14, и ток индуктивной нагрузки 4 замыкается через последовательную цепь из обмотки 15 магнитного реактора 7 и диода 14. К этому времени сердечник магнитного реактора

7 уже находится в состоянии насьпцения при отрицательной намагниченности, и поэтому протекание тока через обмотку 15 не вызывает на ней заметного падения напряжения.

В новом такте работы рассмотренные процессы повторяются.

Принцип действия предлагаемого устройства остается таким же, если индуктивная нагрузка 4 выполнена в виде соединенных последовательно обмотки дросселя и энергопотребляющей нагрузки, первый двухполюсник с вентильной проводимостью включен параллельно индуктивной нагрузке 4, а в качестве первого конденсатора ис-. пользован конденсатор фильтра, включенный между входными шинами f и 2.

1 112562

ВНИИПИ Заказ 6468/4 4 Тираж 861 П ддисиое

Фидиаа ППП "Патент", г.Умгород, ул.Проектяая, 4

В сравнении с известным предлагаемое устройство обеспечивает упрощение схемотехники за счет исключения дополнительного силового управляемого ключа и соответственно токозадающих цепей управления нм; повышение КПД эа счет того, что при отпирании силового управляемого ключа ток протекает по конденсаторам (10 и ll), соединенным последовательно, а при эапирании - параллельно, что дает возможность при заданной скорости нарастания напряжения на силовом управляемом ключе во время процесса его запирания, т.е. при заданной емкости конденсаторной цепи параллельно выходной цепи силового управляемого ключа, уменьшить дополнительный ток силового управляемого ключа во время процесса его отпирания, протекающий по указанной конденсаторной цепи;

Кроме того, устройство обеспечиваеч повышение КПД эа счет того, что во время процесса переэаряда конденса5 торов исключен возврат энергии в источник питания, создающий дополнительные потери энергии; и эа счет того, что исключен дополнительный силовой управляемый ключ и, как следствие, коммутационные потери энергии в его выходной цепи и потери энергии в цепи управления дополнительным ключом; повышение КПД в устройстве (фиг.2f за счет исключения перегрузок силово15 ro управляемого ключа по току во время коммутационного процесса отпирания этого ключа и повышение надежности за счет исключечия дополнительного силового управляемого клю20 ча,