Непосредственный преобразователь

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и м.б. использовано в качестве источника однофазного напряжения требуемой и регулируемой в необходимом диапазоне частоты для питания различных нагрузок. Целью является повышение КПД и уменьшение мощности вентильного оборудования . Устр-во содержит п однофазных мостов 1 - 3, в плечи которых включены тиристоры 4 - 21. В два плеча всех мостов, кроме одного, включены последовательно с тиристорными ключами по одной обмотке реактора 22. Вход каждого моста через конденсаторы 26 - 28 подключен к, источнику напряжения высокой частоты. Система управления содержит маломощные генераторы высокой и Е1ИЗКОЙ частот 31, 32, распределитель импульсов 33. Формирователи 34 - 39 узких импульсов управления, имеющих длительность меньше полупериода высокой частоты, соединены с переключателями 41 - 46. Формирователь 40 широких импульсов управления, имеющих длительность около полупериода низкой частоты, соединен с переключателем 47. Система управления обеспечивает режимы работы с различным числом одновременно работающих мостов и в результате на его выходе в течение полупериода низкой частоты формируется ступенчато изменяющееся напряжение. 2 з.п. ф-лы, 4 ил. S (Л с: 1 а го N|

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51) 4 Е 02 М 5/27

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4140902/24-07 (22) 29.10.86 (46) 07.03.89. Бюл. Р 9 (71) Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения (72) В.А.Иванченко, И.В.Хузьмицкая, А.В.Поссе и.И.А.Степанова (53) 621.314.27(088.8) (56) Антонов Ь.М., Пищиков С.И., Случанко Е.И. Иетод математического моделирования сложных вентильных преобразовательных систем. — Электричество, 1981, М 2, с. 62, рис. 3. (54) НЕПОСРЕДСТВЕННьй ПРЕОВРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к преобразовательной технике и м.б. использовано в качестве источника однофазного напряжения требуемой и регули" руемой в необходимом диапазоне частоты для питания различных нагрузок.

Целью является повышение КПД и уменьшение мощности вентильного оборудования. Устр-во содержит п однофазных

SU,» 1464271 А1 мостов 1 — 3, в плечи которых включены тиристоры 4 — 21. В два плеча всех мостов, кроме одного, включены последовательно с тиристорными ключами по одной обмотке реактора 22. Вход каждого моста через конденсаторы 26 — 28 подключен к источнику напряжения высокой частоты. Система управления содержит маломощные генераторы высокой и низкой частот 31, 32, распределитель импульсов 33. Формирователи

34 — 39 узких импульсов управления, имеющих длительность меньше полупериода высокой частоты, соединены с переключателями 41 — 46. Формирователь 40 широких импульсов управления, имеющих длительность около полупериода низкой частоты, соединен с переключателем 47. Система управления обеспечивает режимы работы с различным числом одновременно работающих мостов и в результате на era выходе в течение полупериода низкой частоты формируется ступенчато изменяющееся напряжение. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1 1464271

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника однофазного напряжения требуемой частоты, в том числе и регулируемой в необходимом диапазоне, получаемого из однофазного напряжения значительно более высокой частоты, а также в качестве источника постоянного напряжения требуемой величины, в том числе и регулируемой ступенями, получаемого из однофазного

Йапряжения высокой частоты, и эффективно в тех случаях, когда исхоДная высокая частота имеет значение поряд- 15 ка 1000 Гц и более.

Цель изобретения — повышение КПД и уменьшение мощности вентильного оборудования преобразователя.

На фиг. 1 представлена электрическая схема преобразователя высокой частоты в низкую для конкретного его выполнения при числе однофазных мостов n=3- на фиг. 2 — эпюры импульсов управления и основных напряжений это- 25

ro преобразователя; на фиг. 3 электрическая схема преобразователя высокой частоты в нулевую для конкретного его выполнения при числе однофазных мостов n=3 на фиг, 4 — 30 эпюры импульсов управления и основных напряжений этого преобразователя.

Преобразователь высокой частоты . в низкую (фиг. 1) содержит однофазHblB MocTbl 1 3 (B оощем случае мостов). В каждое плечо моста включен двусторонний тиристорный ключ, состоящий из двух соединенных встречно-параллельно тиристоров. В мосты

1 — 3 входят управляемые узкими им- 40 пульсами тиристоры 4 - 7, 8 - 11 и 12 — 15 соответственно. Кроме того, в эти мосты входят тиристоры, управляемые широкими импульсами: тиристоры 16 — 18 одного направления проводимости и тиристоры 19 — 21 другого (обратного) ° направления проводимости.

В два плеча моста 2 включены последовательно с тиристорными ключами по одной обмотке реактора 22. Две обмотки 23 и 24 этого реактора соедине-50 ны встречно-последовательно: выводы этих обмоток, связаннные с началом каждой обмотки (отмечены залитыми кружками) присоединены K тиристор9

55 ным ключам, а выводы, связанные с концом каждой обмотки, соединены вместе. Общая точка двух соединенных встречно-последовательно обмоток реактора образует один вывод моста на

его выходе, Так же включены обмотки 23 и 24 реактора 22 в схеме моста 3. В общем случае обмотки реакторов включаются указанным способом в два плеча (n-1) мостов.

Входные выводы мостов 1 — 3 подключены к источнику 25 напряжения высокой частоты (f ) соответственно через конденсаторы 26 — 28. Все конденсаторы имеют одинаковую емкость.

Величина емкости конденсатора выбирается такой, чтобы суммарная мощность конденсаторов была в 3-5 раз меньше номинальной мощности преобразователя частоты.

Выходы мостов соединены последовательно: один вывод на входе моста 1 является выводом общего выхода всех мостов, а другой вывод моста 1 соединен с общей точкой двух обмоток реактора 22 моста 2, аналогично соединены выходные выводы мостов 2 и 3, Общий выход всех мостов подключен через фильтр 29 к нагрузке 30 преобразователя частоты, к которой приложено напряжение низкой частоты (fÄ).

В систему управления преобразователя входят маломощный генератор 31 импульсов высокой частоты, маломощный генератор 32 импульсов низкой частоты, распределитель 33 импульсов, формирователи 34-39 узких импульсов

;управления (по два на каждый мост), формирователь 40 широких импульсов управления, переключатели 4 1- 46 узких импульсов управления, переключатель 47 широких импульсов управления. Задание требуемого значения низкой частоты производится воздействи,ем сигнала 48 на генератор 32 импульсов низкой частоты.

В распределитель 33.импульсов поступают от генератора 31 импульсы, имеющие высокую частоту 1ь, и о и от генератора 32 импульсы, имеющие низкую частоту f„. На основе этой информации на выходе распределителя в шести каналах возникают различные серии импульсов, следующих в каждой серии через период высокой частоты, которые направляются на входы формирователеи

34 — 39 узких импульсов управления, а в двух каналах возникают старт-импульсы и стоп-импульсы, поступающие на вход формирователя 40 широких импульсов управления.

14642

Выход формирователя 40 соединен с входом переключателя 47, к которому, кроме того, поступают импульсы низкой частоты от генератора 32. Под

5 действием последних этот переключатель так же, как и другие переключатели 41 — 46, изменяет свое положение в конце каждого полупериода низкой частоты. В одном положении переключа- 10 теля 47 широкий импульс управления поступает на электроды управления тиристоров 16 — 18 и эти тиристоры оказываются открытыми в течение одного полупериода низкой частоты. В конце этого полупериода положение переключателя 47 изменяется и следующий широкий импульс поступает на электроды управления тиристоров 19 — 21, имеющих обратное по сравнении с тиристорами 16 — 18 направление проводимости. Тиристоры 19 — 21 открыты в течение другого полупериода низкой частоты.

Выходы формирователей 34 и 35 уз- 25 ких импульсов управления соединены соответственно с входами переключателей 41 и 42. В тот полупериод низкой частоты, когда открыты широким импульсом тиристоры 16, положение 30 переключателей 41 и 42 такое, что узкие импульсы поступают поочередно через половину периода высокой частоты на электроды управления тиристоров 4 и б, имеющих одинаковое направление проводимости с тиристорами 16.

В результате на выходе моста 1 возникает выпрямленное напряжение U< одной полярности.

При переходе к другому полуперио 4О ду низкой частоты положение переключателей 41 и 42 изменяется и узкие импульсы поступают поочередно через половину периода высокой частоты на электроды управления тиристоров 5 и 7, имеющих одинаковое направление проводимости с открытыми в это время тиристорами 19. В результате на выходе моста 1 возникает выпрямленное напряжение Б, обратной полярности (по сравнению с предыдущим полупериодом низкой частоты, когда отпирались тиристоры 4 и 6). Если в промежутке работы моста 1 другие мосты не работают (на их тиристоры не подаются узкие импульсы управления), напряжение U прикладывается к фильтру 29 и через него к нагрузке 30. Это обеспечивается тем, что в других мостах

71 4 открыты тиристоры 17 и 18 или 20 и 21, ток под действием напряжения U проходит через эти тиристоры, фильтр и нагрузку 30.

Аналогично работает мост 2 в том промежутке времени, когда в один полупериод низкой частоты поочередно отпираются тиристоры 8,и 10, получая узкие импульсы управления от формирователей 36 и 37 через переключатели

43 и 44, а в другой (следующий) полу- период низкой частоты — тиристоры 9 и 11. При одновременной работе мостов

1 и 2 их выпрямленные напряжения U и Б складываются. Если мост 3 в этом промежутке не работает, то ток проходит под действием напряжения U +U через тиристоры 18 или 21, фильтр и нагрузку 30.

Аналогично работает мост 3, а в общем случае и другие мосты. В результате на выходе к фильтру и нагрузке может прикладываться любая комбинация из напряжений мостов.

В разные промежутки времени в течение каждого полупериода низкой частоты используются следующие комбинации напряжений мостов 1 — 3:. U,U„+U, U +U +U . В общем случае, когда преобразователь имеет п мостов, число комбинаций напряжений мостов увеличивается до U +U +...+U .

На фиг. 2, поясняющей работу преобразователя, на оси 49 показан широкий импульс управления, отпирающий тиристоры 16 — 18 на осях 50 и 51 показаны узкие импульсы управления

Иб и И4, отпирающие соответственно тиристоры 6 и 4 моста 1, на осях

52 и 53 — узкие импульсы управления

И10 и И8, отпирающие соответственно тиристоры 9 и 8 моста 2, на осях 54 и 55 — узкие импульсы управления И14 и И12, отпирающие соответственно тиристоры 14 и 12 моста 3. В каждой серии имгульсы следуют через период высокой частоты Т . Импульсы, относящиеся к тиристорам одного моста (например, Иб и И4),сдвинуты между собой на половину периода высокой частоты. На осях 56 — 58 показаны напряжения J,U и U> соответственно мостов 1 — 3. На оси 59 показано напряжение Н низкой частоты, приложенное после фильтра к нагрузке 30, на оси 60 показан широкий импульс управления, отпирающий тиристоры 19 — 21.

На осях 61 — бб по ., яаны узкие им5 14642 пульсы управления, отпирающие тиристоры 5 и 7,9 и 11, 13 и 15 соответственно мостов 1 — 3 °

В примере, приведенном на фиг.2, 5 длительность широкого импульса управления выбрана равной шести периодам высокой частоты Т (оси 49 и 60).

Промежуток времени t6t между смежными широкими импульсами равен одному периоду высокой частоты. Из сравнения широких импульсов на осях 49 и 60, : с одной стороны, и напряжения низкой

1 ! частоты на оси 59, с другой стороны, 1 . видно, что длительность широкого им пульса в этом примере меньше полупе1, ( риода низкой частоты -Т на один пе"

2 ( риод высокой частоты Т

Напряжение И, моста 1 (ось 56)

: в промежутке tt1а соответствует уз-.

: ким импульсам управления И6 и И4 (оси

50 и 51), отпирающим тиристоры 6 и 4, а в промежутке t t — импульсам И5 и И7 (оси 61 и 62), отпирающим тирис- 2S торы 5 и 7. Напряжение U, моста 2 ,(ось 57) в промежутке с г. соответствует импульсам И10 и И8, а в промежутке в и — импульсам И9 и И11. Напряжение U моста 3 (ось 58) в промежут- З ке t t4 соответствует импульсам И14 и И12, а в промежутке t t„ — импульсам И13 и И15. Сумма напряжений U„ +

+U +U подведена к входу фильтра 29 (фиг.1). После фильтра образуется сту- пенчатое напряжение низкой частоты U

35 (ось 59) . На каждой ступеньке это выходное напряжение, если фильтр 29 идеальный, равно постоянной составляющей напряжения, подведенного к

40 фильтру. При реальном фильтре на показанную кривую выходного напряжения накладываются гармоники, проникшие через фильтр.

В промежутках „ и 5- 6 > ко да 45 в первом полупериоде.низкой частоты работает только мост 1, ток этого моста проходит через тиристоры 17 и 18 мостов 2 и 3, открытые в это время широким импульсом. В промежут- Sp ках t

Значение низкой частоты 1„ на выходе преобразователя можно регулировать, изменяя частоту генератора 32 импульсов (фиг. 1). В случае. трехмостового преобразователя наибольшая частотй получится, если каждая ступенька выходного напряжения будет. образована одной полуволной напряжения высокой частоты ° В этом случае наибольшее значение низкой частоты равно 0,2йв . Уменьшение низкой частоты может быть осуществлено практически до любого необходимого значения.

На фнг. 2 изображен случай, когда низкая частота в 14 раз меньше высокой.

Реакторы 22, включенные в схемы мостов 2 и 3 (фиг.l), ограничивают уравнительные токи, которые протекают через проводящие тиристоры и конденсаторы 26 — 28. При работе только моста 1 уравнительные токи ограничиваются обмотками 24, Так, например, в промежутке проводимости тиристора 6 индуктивное сопротивление обмотки 24 реактора 22 в схеме моста 2 ограничивает уравнительный ток в цепи: точка А — конденсатор 26 — тиристор 6— обмотка 24 — тиристор 17 — конденсатор 27 — точка B. При работе одновре менно двух и трех мостов в ограничении уравнительных токов участвуют обе обмотки реакторов 22. Так, например, в промежутке проводимости тиристора 8 индуктивное сопротивление обмотки 23 реактора 22 в схеме моста 2 ограничивает уравнительный ток в цепи: точка Б — конденсатор 26 — тиристор 16 обмотка 23 — тиристор .8 — конденсатор 27 — точка А, а в промежутке проводимости тиристора 10 индуктивное сопротивление обмотки 24 реактора 22 в схеме моста 3 ограничивает уравнительный ток в цепи: точка А— конденсатор 27 — тиристор 10 — обмотка 24 — тиристор 18 — конденсатор

28 — точка В.

Индуктивное сопротивление одной обмотки реактора 22 выбирается таким, чтобы уравнительные токи были примерно в 10 раз меньше номинального тока преобразователя. При высокой, частоте реакторы 22, обеспечивающие такое ограничение уравнительных то1464271

Y,ов, полу lHI(!TcB t)анни гол t но в больших размеров и ма(сы.

Встречно-последовательное включение двух обмоток реактора 22 обеспе5 чивает небольшое индуктивное сопротивление для коммутирующих токов, проходящих одновременно по обеим обмоткам в одном направлении. Так, например, в промежутке времени, когда 10 происходит коммутация тока с тиристора 8 на тиристор 10, коммутирующий ток проходит по цепи: точка А — конденсатор 27 — тиристор 8 — обмотка

23 †. обмотка 24 — тиристор 17 — кон- 15 денсатор 27 — точка В. При этом, благодаря встречно-последовательйому соединению обмоток 23 и 24, индуктивное сопротивление коммутирующему току связано только с небольшим маг- 20 нитным потоком рассеяния (значительно меньшим, чем основной магнитный поток, определяющий индуктивное сопротивление при прохождении уравнительного тока в одной обмотке реак- 25 тора 22).

Таким образом, благодаря встречнопоследовательному соединению двух обмоток реактора 22, они не препятствуют быстрому протеканию в схеме моста 30 коммутационных процессов..

Преобразователь высокой частоты в нулевую (фиг.3) содержит однофазные мосты 1 — 3 (в общем случае и мостов). Каждое плечо моста, в отличие

35 от преобразователя высокой частоты в низкую, имеет одностороннюю проводимость. В мосты 1 — 3 входят соответственно тиристоры 4 и 6, 8 и 10, 12 и 14 и диоды 67 — 69. В остальном силовая схема преобразователя совпадает со схемой фиг. 1.

В блок управления вентилями преобразователя входят маломощный генератор 31.импульсов высокой частоты,. распределитель 33 импульсов и формиро- ватели 34 — 39 импульсов управления (по два на каждый мост).

Задание числа работающих мостов производится воздействием сигнала 70 на распределитель 33 импульсов.

В распределитель 33 импульсов поступают от генератора 31 импульсы, имеющие высокую частоту Й, и воздей.ствие сигнала 70.

S5

На основе этой информации на выходе распределителя в двух, четырех или шести каналах (по два на каждый мост) возникают серии импульсов, следующие в кажлои серии черо .3 период Blк .(кои частоты, которые направляются на вх»ды формирователей 34 и 35 или 34

37, или 34 — 39.импульсов управления в зависимости от заданного числа ра"ботающих мостов.

Если, например, импульсы управления возникают на выходе формирователей 34 и 35 и с этих выходов поступают поочередно через половину периода высокой частоты на электроды управления тиристоров 4 и 6, на выходе моста 1 возникает выпрямленное напряжение U< . Напряжение U через обмоткк 24 реакторов 22 и диоды 68 и 69 поступает на вход фильтра 29 и через него к нагрузке 30.

Если импульсы управления возникают на выходе формирователей 34 — 37 и соответственно поступают на тиристоры

4,6,8 и 10, сумма выпрямленных напряжений U l и U2 через обмотку 24 реактора 22 моста 3 и диоды 69 прикладывается к входу фильтра 29 и через него к нагрузке 30.

Аналогично при возникновении импульсов управления на выходе формирователей 34 — 39 к нагрузке через фильтр прикладывается сумма выпрямленных напряжений U U и U .

Таким образом, задавая число работающих мостов, возможно регулировать ступенями величину напряжения на нагрузке, которая при неизменной величине напряжения источника высокой частоты повышается с кратностью, равной числу работающих мостов.

На фиг. 4, поясняющей работу преобразователя для случая работы всех трех мостов, на осях 71-76 показаны импульсы управления тиристорами 4,6, 8, 10, 12 и 14, на осях 77 — 79 — выпрямленные напряжения на выходе мостов 1 — 3 соответственно, на оси 80— напряжение на нагрузке.

Реакторы 22, включенные в схемы мостов 2 и 3 (фиг. 3), ограничивают уравнительные токи, но практически не препятствуют протеканию коммутирующих токов так же, как описано в случае преобразователя высокой частоты в низкую (фиг. l).

При замене нагрузки 30 и фильтра

<29 источником постоянного напряжения, а воздействия сигнала 70 — блоком синхронизации, связанным с источником высокой частоты, преобразователь

9 14 (фиг. 3) может быть обращен в инвертор, работающий на сеть.

Применение непосредственного преобразователя позволяет повысить КПД и уменьшить мощность вентильного оборудования за счет ограничения уравнительных токов без ухудшения основных характеристик преобразователя.

Формула изобретения

1 ° Непосредственный преобразователь, содержащий и последовательно связанных между собой по .выходным выводам постоянного тока четырехплечих однофазных вентильных мостов, причем выводы переменного тока мостов подключены через конденсаторы к входным силовым выводам питающей сети, реакторы и блок управления, включающий в себя последовательно связанные между собой распределитель и формирователь импульсов, обеспечивающий уп64271

10 равление вентильными мостами, о т— л и ч а ю шийся. тем, что, с целью повышения КПД и уменьшения мощ5 ности вентильного оборудования межФ ду соседними по выходным выводам постоянного тока плечами (и-1) мостов включены указанные реакторы, по одному в каждом мосту, которые выполнены двухобмоточными со встречно включенными обмотками, причем точка соединения этих обмоток образует выход- ной вывод моста, соединенный с выходным выводом предыдущего из последовательно связанных между собой мостов °

2. Преобразователь по п.1, о тл и ч а ю шийся тем, что каждое плечо моста выполнено с двусторонней проводимостью.

3. Преобразователь по и. 1, о т— л и ч а ю шийся тем, что каждое плечо моста выполнено с односторонней проводимостью.

И 19

1464271

72

Составитель Г;Мыцык

Редактор Н.Тупица Техред М.Дидык Корректор Э.Лончакова

Заказ 831/57 Тираж 645 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент"., r.Óæãîðîä, ул. Гагарина,101