Преобразователь переменного напряжения в постоянное

 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ, содержащий трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к питающей сети, и вторичными обмотками,однофазные управляемые вентильные мосты, диагональ переменного тока калдого из которых подключены к одной из вторичных обмоток трансформатора, управляемые коммутирующие элементы, органы упр вления которых соединены с выходами блока управления, вход которого соединен с выходом датчика напряжения преобразователя, регулятор тока, выход которого соединен с управляющими электродами вентилей указанных мостов, а вход соединен с выходом датчика тока нагрузки и выходом блока задания тока, отличающийс я тем, что, с целью снижения стоимости и повышения КПД, управляемые « вентильные мосты по выходу соединены параллельно,, а каждьй из коммутирующих элементов включен между противофазными выводами вторичных обмоток соответствунмцих смежных вентильных мостов.

e(sl) Н 02 М 7/145

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЬЙ

Ж у;,., „

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ 7".-" / Ф н ABTOPCNOMV СЕИдатНВСтвм 1 .-,:;., - д (21) 3660637/24-07(22) 04.11.83 (46) 23.02.85. Бюл. У 7 (72) В.П. Иванов, В.А. Городецкий и В.А. Бобков (71) Производственное объединение

"Уралэнергоцветмет" и Всесоюзный научно-исследовательский и проектноконструкторский институт металлурги.ческой теплотехники цветной металлургии и огнеупоров "ВНИИэнергоцветмет" (53) 621.314.5(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

В 344534, кл. Н 02 М 7/00, 1972.

2. Патент ClllA ¹ 4339704, кл. Н 02 М 7(00, 1982 ° (54)(57) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ, содержащий трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к питающей сети, и вторичными обмотками,однофазные управляемые вентильные .мосты, диагональ переменного тока каждого из которых подключены к одной из вторичных обмоток трансформатора, управляемые коммутирующие элементы, органы управления которых соединены с выходами блока управления, вход которого соединен с выходом датчика напряжения преобразователя, регулятор тока, выход которого соединен с управляющими электродами вентилей указанных мостов, а вход соединен с выходом датчика тока нагрузки и выходом блока задания тока, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью снижения стоимости и повышения КПД, управляемые вентильные мосты по выходу соединены параллельно, а каждый из коммутирующих элементов включен между противофазными выводами вторичных обмоток соответствующих смежных вентильных мостов.

1141538

Изобретение относится к преобразованию энергии переменного тока и может быть использовано для питания установок водородного восстановления полупроводниковых материалов из газовой фазы, для питания печей графитации углеродистых материалов и других технологических объектов, у которых по мере снижения напряжения для поддержания требуемой 10 мощности необходимо увеличение тока

1 нагрузки.

Известны устройства для электрического питания установок водородного восстановления полупроводни- 15 ковых материалов, содержащие силовой трансформатор, к вентильным обмоткам которого подключены управляемые выпрямительные мосты, соединенные по постбянному току последова- 20 тельно между собой и группой полупроводниковых стержней-нагревателей реактора водородного восстановления через коммутирующие элементы для ступенчатого регулирования,напряже- 25 ния датчики тока и напряжения, бло" ки регулирования и управления (1j".

Данное устройство обеспечивает плавное регулирование напряжения за счет фазового управления тиристорами мостов внутри кажцой ступени напряжения, количество которых равно число выпрямительных мостов„, Отключаемые управляемые мосты с момента отключения до окончания процесса восстановления в работе не участвуют, что обусловливает завышенное значение установленной мощности устройства, т.е. недостаточно высокое использование трансформаторного 40 и полупроводникового оборудования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий транс-45 форматор с первичной обмоткой, подключенной к питающей сети, и вторичными обмотками, однофазные с разомкнутыми выходами постоянного тока включенные последовательно-согласно 50 управляемые вентильные мосты, диагонали переменного тока каждого из которых подключены к одной из вторичных обмоток трансформатора, а выходы постоянного тока подключены к 55 коммутирующим элементам, органы управления которых соединены с выходами блока управления, вход которого соединен с выходом датчика напряжения преобразователя, регулятор тока выход которого соединен с управляющими электродами вентилей указанных мостов, а вход соединен с выходом датчика тока нагрузки и выходом блока задания, причем диагональ постоянного тока выпрямительного моста, образованного последовательно-согласно включенными однофазными управляемыми мостами, подключены к нагрузке (2 j.

В известном устройстве достаточно хорошо используется трансформаторное оборудование, так как все вторичные обмотки трансформатора находятся в работе после снижения напряжения на нагрузке до половины максимального значения, а по времени работа с напряжением, меньшим половины

I максимального значения, составляет большую часть цикла восстановления.

Это достигается последовательным включением управляемых вентильных мостов с разомкнутыми диагоналями постоянного тока. Однако это же предопределяет низкий КПД устройства и его высокую стоимость, связанную с необходимостью использования всех вентилей, рассчитанных на максимальный ток нагрузки.

Цель изобретения — снижение стоимости и повышение КПД устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе переменного напряжения в постоянное, содержащем трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к питающей сети, и вторичными обмотками, одно— фазные управляемые вентильные мосты, диагональ переменного тока каждого из которых подключена к одной из вторичных обмоток трансформатора, управляемые коммутирующие элементы, органы управления которых соединены с выходами блока управления, вход которого соединен с выходом датчика напряжения преобразователя, регулятор тока, выход которого соединен с управляющими электродами вентилей .указанных мостов, а вход соединен с выходом датчика тока нагруз ки и выходом блока задания тока, управляемые вентильные мосты по выходу соединены параллельно, а каждый из коммутирующих элементов включен между противофазными вы3 1141 водами вторичных обмоток соответствующих смежных вентильных мостов.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого преобразо- . вателя; на фиг. 2 — функциональная схема блока управления.

Преобразователь содержит подключенный к питающей сети трансформатор 1 с вторичными обмотками 2

7, параллельно соединенные по выходу однофазные управляемые вентильные мосты 8 — 13, диагональ постоянного тока которых подключена к нагрузке 14, а диагональ переменного тока каждого из которых соединена 15 с одной из вторичных обмоток 2 — 7 трансформатора 1, и состоящие соответственно из управляемых вентилей

15-18, 19-22, 23-26, 27-30, 31-34 и 35-38, коммутирующие элементы 20

39-43, органы 44-48 управления кото. рых соединены с выходами блока 49 управления, вход 50 которого соединен с выходом датчика 51 напряжения преобразователя, регулятор 52 25 тока выход которого соединен с управляющими электродами вентилей 15-38 мостов 8 — 13 соответственно, а вход соединен с выходом датчика 53 тока

I нагрузки 14 и выходом блока 54 зада- 30 ния тока.

В качестве коммутирующих элементов могут быть использованы электромеханические устройства либо вентильные ключи переменного тока.

Блок 49 управления (фиг. 2) содержит по числу коммутирующих элементов компараторы 55 — 59, входы которых подключены к выходу датчика 51 на- пряжения. Прямые выходы компараторов 40

55-57 через логические элементы ИЛИ

60-62 подключены к входам усилителей

63. - 65 мощности. Прямые выходы компараторов 58 и 59 подключены непосредственно к входам усилителей 66 и 45

67 мощности. Инверсный выход компаратора 57 через логическую схему

"Запрет" 68 подключен к второму входу элемента ИЛИ 60 и через схему

Запрет 69 к второму входу элемента 50

ИЛИ 61. Инверсный выход компаратора

58 подключен к второму входу элемента ИЛИ 62 через схему "Запрет" 70.

Входы запрета схем "Запрет" 68 и 70 соединены с инверсным выходом ком- 55 паратора, вход запрета схемы "Запрет"

69 соединен с инверсным выходом компаратора, вход запрета схемы "Запрет"

538 4

69 — с инверсным выходом компаратора 58.

Выходы усилителей 63-67 мощности подключены соответственно к органам

44 — 48 управления коммутирующих элементов 39 — 43.

Преобразователь работает следующим образом.

После предварительного разогрева кремниевых стержней-нагревателей в реакторе водородного восстановления полупроводниковых материалов, являющихся нагрузкой 14 преобразователя, на них подается полное напряжение, равное выпрямленному напряжению всех соединенных согласно-последовательно вторичных обмоток 2 — 7 трансформатора 1. Полное напряжение

U =n ° nU, где п — количество ступеней дискретности, т.е. количество вторичных обмоток, равное количеству вентильных мостов;

6U — шаг дискретности напряжения

Ц„, равный выпрямленному. напряжению одной вторичной обмотки.

Подача полного напряжения осуществляется путем включения системы автоматического регулирования тока при замкнутых коммутирующих элементах 39 — 43. По мере осаждения кремния на стержнях-нагревателях диаметр их увеличивается, сопротивление уменьшается, в связи с чем для поддержания температуры их поверхности ток через стержни-нагреватели увеличивается. Процесс восстановления кремния идет нормально при температуре поверхности стержней-нагревателей 1050-1150 С. Блоком 54 задания устанавливается ток, соответствующий более высокой температуре стержней, и в интервале времени

0,5-2 ч (в зависимости от диаметра стержней-нагревателей) ток поддерживается стабильным до спадания температуры поверхности стержней до. нижней границы. В связи с уменьшением сопротивления стержней автоматическая стабилизация тока осуществляется за счет .снижения напряжения преобразователя. Блок 52 регулирования поддерживает постоянным ток стержней-нагревателей за счет регулирования угла управления вен1141538

30 тилей путем обработки сигнала рассогласования между заданным его значением с блока 54 задания и действительным значением сигнала, снимаемым в тракте отрицательной обратной связи с датчика 53 тока в этом режиме работы преобразователя, когда все коммутирующие элементы 39 — 43 замкнуты, ток протекает в положительный полупериод сетевого напряжения по цепи обмотка 7 — вентиль 38 — нагрузка 14— стержни-нагреватели — вентиль 15— обмотки 2 — 7, в отрицательный полупериод сетевого напряжения по цепи обмотка 2 †.вентиль 17 — стержни-нагреватели — вентиль 36 обмотки 7-2. Поскольку напряжение

U в и раз превьппает напряжение <<Б каждой обмотки, все остальные вентили находятся в непроводящем состоянии, будучи заперты напряжением

U«<,приложенным к ним в обратном направлении.

После снижения напряжения до величины, которая может быть обеспечена и-1 вторичной обмоткой, т.е.

<<-< до напряжения — U информация о чем поступает с датчика 51 напряжения на блок 49 управления, последний формирует сигнал на отключение коммутирующего элемента 39, который .поступает на его орган 44 управления, в результате чего коммутирующий элемент 39 размыкается.

В момент отключения коммутирующего элемента 39 блок 52 регулиро° вания тока автоматически снижает до минимально возможного значения угол управления вентилями и работа про,должается с коэффициентом мощности, более высоким, чем при включенном коммутирующем элементе 39, когда преобразователь работал в зарегулированном режиме. В работе находится выпрямительный мост на вентилях 19, 21 и 36, 38, все остальные вентили

n- < заперты напряжением †„ U, приложенным к ним в обратном направлении.

Аналогичным образом преобразователь работает при снижении напряжения на стержнях-нагревателях до следующих дискретных уровней напряжения

«

П ° ° ° ° у вЂ,. О<.< Вплоть до 1 1(у

If при котором n 2k (количество ступеней дискретности выбирается четным), т.е. до напряжения, равного (в преобразователе, приведен. л

<<< ном на фиг. 1 ° n = 6) .

При снижении напряжения на стерв нях-нагревателях до величины — П,<, по сигналам блока 49 управленйя отключается коммутирующий элемент 41 и включаются коммутирующие элементы

39 и 40, а коммутирующие элементы

42 и 43 остаются включенными. В этом режиме две группы обмоток с рав. ными "/g U«< напряжениями включаются параллельно,а в каждой группе обмотки 2 — 4 и 5 — 7, соединены последо-вательно. В работе участвуют выпрямительные мосты на вентилях 15,17,24, 26 и 27,29,36,38.

После снижения напряжения до величины " U по сигналам блока 49 управления отключаются коммутирующие элементы 40 и 42, включается коммутирующий элемент 41, а остальные коммутирующие элементы остаются включенными. В этом режиме три группы обмоток, содержащие последовательно соединенные вторичные обмотки 2 и

3, 4 и 5, 6 и 7, имеют равные "4 U напряжения, соединяются параллельно.

Первая группа обмоток работает на вьптрямительный мост из вентилей

15, 17, 20 и 22, вторая группа — на выпрямительный мост из вентилей

23, 15, 28 и 30, третья группа — на выпрямительный мост из вентилей 31, 33, 36 и 38.!

После снижения напряжения на стержнях до величины "/ У<, по сигналам блока 49 управления отключаются все коммутирующие элементы и все вторичные обмотки по выпрямленному

40 напряжению включаются параллельно через находящиеся в работе вентильные мосты 8 — 13. Работа преобразователя в этом режиме продолжается до напряжения на стержнях, составляю45 щего примерно 0,15 U,после чего

:процесс восстановления кремния заканчивается.

Блок.49 управления работает следующим образом. В момент запуска преобразователя от источника питания системы управления на входы ком " параторов 55 — 59 подается напряжение постоянного тока, в выбранном масштабе соответствующее U . Компараторы срабатывают, и на их прямых выходах образуются сигналы логической "1". Эти сигналы поступают на вход усилителей 63 — 65 мощности че.

1141538

8 рез элементы ИЛИ 60 — 62, а на входы усилителей 66 и 67 — непосредственно, в результате чего срабатывают органы 44 — 48 управления н коммутирующие элементы 39 — 43 5 (фиг. 1) замыкаются, подавая на стержни-нагреватели и датчик 51 напряжения максимальное напряжение

U питания стержней. Это напряжение с выхода датчика 51 напряжения подается на входы компараторов 55-59 и удерживает их в сработавшем состоянии.

В процессе работы напряжение на нагрузке 14 снижается с величины

/ь U до величины /6U, компаратор

55, настроенный на этот уровень срабатывания, возвращается в исходное состояние и на его выходе появляется сигнал логического "0". Это

20 приводит к исчезновению сигнала на выходе элемента ИЛИ 60 и усилителя

63 мощности, в результате чего коммутирующий элемент 39 размыкается. . При снижении напряжения до уровня второй ступени дискретности /6 Um возвращается в исходное состояние компаратор 56, настроенный на этот уровень срабатывания. Это приводит к размыканию коммутирующего элемента 40. На третьей ступени дискретности / Ущ в исходное состояние

Ъ возвращается компаратор 57 и размыкается коммутирующий элемент 41.

Одновременно сигнал логической с инверсного выхода компаратора 57 35 поступает на основные входы схем

"Запрет" 68 и 69, проходя через вторые входы логических элементов

ИЛИ 60 и 61, поступает на входы усилителей 63 и 64 мощности, что 40 приводит к замыканию коммутирующих элементов 39 и 40.

На следующей ступени дискретносйг ти ь Пщ в исходное. остояние возвращается компаратор 59. На его 45 прямом выходе формируется сигнал логического "0", в связи с чем размыкается коммутирующий элемент 42, а на инверсном выходе формируется сигнал логической "1", который 50 поступает на основной вход схемы

В1 lI

Запрет и на вход запрета схемы

"Запрет" 69. Сигнал с выхода схемы

ll Е1

Запрет 70 проходя на второй вход элемента ИЛИ 62, усиливается усилите 55 лем мощности, что приводит к замыканию коммутирующего элемента 41. Сигнал, поступивший на вход запрета схемы "Запрет" 69, запрешает прохождение сигнала логической "1" с инверстного выхода компаратора 57 на вход элемента ИЛИ 61,в результате чего коммутирующий элемент 40 размыкается.

После снижения напряжения до уровня "/6 U компаратор 59 возвращается в исходное состояние. На его прямом выходе появляется сигнал логического

"0", на инверсном — логической 1", который поступает на входы запрета схем "Запрет" 68 и 70, в результате чего коммутирующие элементы 67, 68 и 70 размыкаются.

В этом состоянии элементы блока

49 управления остаются:до окончания процесса восстановления, после чего преобразователь отключается, а реактор разгружается.

В предлагаемом устройстве, начиная с уровня напряжения 0,5 U до окончания процесса восстановления полупроводникового материала, т.е. более 907 времени технологического цикла, полностью используется трансформаторное оборудование (в различных комбинациях вторичйые обмотки включены параллельно), также параллельно работают вентили находящихся в работе вентильных мостов, а вентили, в работе не участвующие, заперты обратным напряжением, током не обтекаются и на КПД преобразователя влияния не оказывают. Это обуславливает снижение количества вентилей и повышение КПД в предлагаемом преобразователе.

Снижение стоимости преобразователя достигается путем уменьшения количества вентилей либо использования вентилей более низкой стоимости (вентилей на более низкие токи),. уменьшения количества требуемых для защиты вентилей предохранителей, индуктивных делителей тока между параллельно соединенными вентилями, аппаратуры управления вентилями, например формирователей импульсов управ. ления, снижения металлоемкости конт 4 струкции преобразователя ввиду уь|еньшения объема его силовой полупроводниковой части и т.д.

Кроме того, снижается объем занимаемых производственных площадей, создается экономия путем снижения расходов на эксплуатацию, охлаждение вентиляцию, создается экономия лектроэнергии за счет повышения КПД.

1141538

Ъ ч

1141538

ВНИИПИ Заказ $11/43 Тираж 646 Подписное

Филиал БШ "Патаках" ° г.Ужгород, ул.Проектная, 4