Высоковольтный вентиль

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в силовых преобразовательных устройствах. Цель изобретения - повышение надежности, уменьшение установленной мощности, а также повышение КПД путем организации контура рекуперации энергии формирующего дросселя генератора и улучшение массогабаритных показателей при одновременном снижении коммутационных потерь. Устройство состоит из столба 6, включающего цепочку последовательно соединенных запираемых тиристоров, зашунтированного блоком 2 перевода тока, соединенным с генератором 3 импульсов тока накачки. Блок 2 состоит из последовательно соединенных низкочастотной полупроводниковой структуры 4, использующей инерционные свойства восстановления обратной вентильной прочности, и полупроводникового ключа 5 перевода тока, который может быть выполнен полностью управляемым. Генератор 3 построен на низковольтном источнике 7 напряжения, полностью управляемом ключе 8 накачки, формирующем дросселе 9 и диоде 10, соединенных таким образом, что совместно с блоком 2 они создают облегченный режим запирания тиристоров столба 6. При этом снижается уровень мощности, выделяемой в запираемых тиристорах и устраняется влияние разброса времени рассасывания зарядов в этих тиристорах. При этом, поскольку напряжение силового источника питания до начала выключения ложится на полупроводниковую структуру 4, то ключ 5 может быть низковольтным, т.к. должен выдерживать только напряжение источника 7. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в вентильных инверторах, в частности, для линий электроподачи постоянного тока, преобразователях частоты, системах железнодорожного тягового электропривода и др. Цель изобретения повышение надежности, уменьшение установленной мощности, а также повышение КПД путем организации контура рекуперации энергии формирующего дросселя генератора и улучшение массогабаритных показателей при одновременном снижении коммутационных потерь. На фиг. 1-3 приведены электрические схемы высоковольтного вентиля; на фиг.4 временные диаграммы, поясняющие работы высоковольтного вентиля на этапе выключения. Высоковольтный вентиль (фиг.1)состоит из блока 1 запираемых тиристоров, блока 2 перевода тока и генератора 3 импульсов тока накачки. Блок перевода тока состоит из полупроводниковой структуры 4, обладающей инерционными свойствами восстановления обратной вентильной прочности (например высоковольтного низкочастотного диода), и полупроводникового неполностью управляемого ключа 5 перевода тока (например, однооперационного тиристора). В состав блока 1 входит столб 6 запираемых тиристоров с соответствующими цепями защиты (не показаны) (демпфирующие RCD-цепочки, выравнивающие резисторы кремниевые ограничители напряжения, дроссели, ограничивающие скорость нарастания тока и др. ) и системы диагностики (не показаны). Генератор импульсов тока накачки из низковольтного источника напряжения 7, полностью управляемого полупроводникового ключа 8 накачки (например, силового низковольтного транзистора), формирующего дросселя 9 и диода 10 поддержания. В высоковольтном вентиле по фиг.2 в генераторе 3 присутствует дополнительно диод рекуперации 11, а полупроводниковый ключ перевода тока 5 выполнен в виде полностью управляемого ключа (например, в виде низковольтного импульсного запираемого тиристора). Высоковольтный вентиль по фиг. 3 содержит источник напряжения, выполненный в виде буферного конденсатора 12, зашунтированного цепочкой, состоящей из одностороннего кремниевого ограничителя напряжения 13 и токоограничивающего резистора 14, а также выпрямительный диод 15. Последовательно со столбом тиристоров 6 включен зарядный трансформатор 16, имеющий первичную 17 и вторичную 18 обмотки. Устройство (фиг.1) работает следующим образом. В состоянии проводимости высоковольтного вентиля все последовательно соединенные запираемые тиристоры столба 6 открыты и проводят ток I_т, равный току нагрузки I_d (см. фиг.1 и 4), а ключ перевода тока 5 и полностью управляемый полупроводниковый ключ накачки 8 заперт. В момент t_o подают отпирающий сигнал управления I₉₈ на полностью управляемый полупроводниковый ключ накачки 8, и в контуре источник напряжения 7 ключ накачки 8 дроссель 9 полупроводниковая структура 4 столб запираемых тиристоров 6 источник напряжения 7 начинает протекать линейно нарастающий ток I₄, накапливающий заряд неосновных носителей в полупроводниковой структуре 4, обладающей инерционными свойствами восстановления обратной вентильной прочности. Спустя интервал времени Δt_н=t₁-t_o (см. фиг.4б) полностью управляемый ключ накачки 8 запирают. Накопленная в формирующем дросселе 9 энергия вызывает дальнейшее протекание тока i₄ через структуру 4. Ток замыкается в контуре дроссель 9 полупроводникая структура 4 столб запираемых тиристоров 6 диод 10 - дроссель 9. Такой процесс имеет место до момента времени t₂, когда подают отпирающийся сигнал управления i_y5 на ключ перевода тока 5. Ток дросселя i_L переходит в контур дроссель 9 ключ перевода 5 диод 10 - дроссель 9 и одновременно начинается процесс разделения тока I_d на две составляющие i_т и i_n (см. фиг.1). Ток i_т, снижаясь от значения I_d, продолжает протекать через столб запираемых тиристоров 6, а обратный ток I_обр полупроводниковой структуры 4 возрастает с нулевого значения (фиг. 4, д). В момент t₃ подают запирающие импульсы i_уб (фиг. 4, г) тока управления i_RG на управляющие электроды всех запираемых тиристоров столба 6. Длительность Δt_п=t₃-t₂ целесообразно выбирать так, чтобы конечное значение тоа i_т(t₃) в процессе разделения тока в момент t₃ было как можно меньше. Практически во время выключения запираемых тиристоров столба 6 (при правильно выбранной длительности интервала Δt_п обратный ток полупроводниковой структуры i_обр равняется току нагрузки i_d. Заряд, накопленный в структуре, рассасывается этим обратным током. После окончания процесса рассасывания начинается восстановление обратной вентильной прочности структуры 4. К этому времени запираемые тиристоры столба 6 успевают полностью выключиться. Напряжение на полупроводниковой структуре 4 и столбе запираемых тиристоров 6 начинает возрастать, а ток i_обр и, следовательно, ток нагрузки в момент t₄ падает до нуля. После спада к нулю тока i_обр через неполностью управляемый ключ перевода тока 5 протекает уменьшающийся во времени ток i_L, вызванный остаточной энергией, накопленной в формирующем дросселе 9. Когда ток i_L сравнивается с током удержания i₅ полупроводникового ключа перевода тока 5, он обесточивается и восстанавливает свои непроводящие свойства. С момента t₅ вентиль готов к следующему такту работы (фиг.4, ж). Электромагнитные процессы в высоковольтном вентиле (фиг.2) протекают идентично рассмотренным выше до момента времени t₄. Как только полупроводниковая структура 4 восстанавливает свои непроводящие свойства и ток i_обр снижается до нуля, на ключ перевода тока 5, который в вентиле (фиг.2) обладает свойством полной управляемости, подают запирающий сигнал управления i_y5. Ключ 5 запирается, ток формирующей индуктивности 9 переходит в контур: дроссель 9 диод 11 источник напряжения 7 диод 10 дроссель 9, осуществляя рекуперацию оставшейся в дросселе энергии в источник питания. В качестве низковольтного источника напряжения 7 может быть использована аккумуляторная батарея, управляемый или неуправляемый выпрямитель, потребляющий энергию с внешнего дополнительного источника питания. В вентиле, выполненном по фиг. 3, необходимая энергия для накачки полупроводниковой структуры 4 потребляется от специально введенного зарядного трансформатора 16, который первичной обмоткой подключен последовательно со столбом запираемых тиристоров 6. Важно подчеркнуть, что наличие такой обмотки, обладающей значительной индуктивностью, благоприятно сказывается на переходном процессе включения высоковольтного вентиля, т.к. обмотка 17 зарядного трансформатора 16 является элементом, ограничивающим скорость нарастания тока d_iт/d_t при включении. Нарастающий в процессе включения столба 6 ток i_d трансформируется во вторичную обмотку 18 трансформатора. Этот ток заряжает буферный конденсатор 12, который затем в период последующего этапа включенного состояния вентиля хранит запасенную в период переходного процесса включения энергию. Односторонний кремниевый ограничитель напряжения 13 и токоограничивающий резистор 14 удерживают напряжение буферного конденсатора на допустимом уровне. В вентиле по фиг.3 (как и в вентиле по фиг.2) осуществляется рекуперация излишней энергии дросселей 9, что дополнительно восполняет энергию буферного конденсатора 12. Из описания работы предложенного высоковольтного вентиля ясно, что он повышает надежность выключения последовательно соединенных запираемых тиристоров благодаря тому, что режим их выключения значительно облегчен. Действительно, во-первых, отрицательным током управления i_RG выключается не полный анодный ток I_d высоковольтного вентиля, длительно протекающий через столб запираемых тиристоров 6 до момента t_o, а намного меньший ток, поскольку при подаче тока i_RG в момент t₃ преобладающая часть тока со столба 6 уже переходит в шунтирующий его блок перевода тока 2. Во-вторых, всплеск напряжения U_DP L_sdi_t/dt, где L_s - индуктивность дросселя, возникающий на запираемых тиристорах в процессе запирания столба при использовании любого из известных устройств выключения, в предложенном вентиле практически полностью устранен, поскольку производная di_т/dt при постоянстве времени спада запираемого тока i_t пропорциональна значению анодного тока IG непосредственно перед запиранием, а это значение, как следует из выше представленного описания, значительно меньше тока i_d. Эффективность рассмотренного высоковольтного вентиля, кроме снижения выделяемой в запираемых тиристорах мощности, обусловлена также следующими факторами. Полупроводниковая структура 4, кроме своих основных функций, выполняет также роль демпфирующей цепочки для всего столба запираемых тиристоров, так как именно она определяет скорость нарастания прямого анодного напряжения U₆· dU_d/dt столба 6 в процессе выключения. Существует возможность регулирования накапливаемого в полупроводниковой структуре 4 заряда непосредственно перед началом выключения тиристоров вентиля, что позволяет обеспечить высокую коммутационную способность высоковольтного вентиля (при постоянной мощности потерь, выделяемой в запираемых тиристорах) в режимах с измененным по величине током нагрузки вентиля. Достоинством предлагаемого вентиля является также тот факт, что как полностью управляемый полупроводниковый ключ 8 накачки, так и ключ 5 перевода тока являются низковольтными приборами, которые работают в благоприятном, импульсном режиме с большой скважностью.

Формула изобретения

1. Высоковольтный вентиль, содержащий последовательно включенный в цепь питания переменным током столб из последовательно соединенных запираемых тиристоров, причем между анодом и катодом столба включен блок перевода тока со средним выводом, образованным общей точкой соединения входящих в этот блок последовательно соединенных высоковольтного низкочастотного полупроводникового элемента, подключенного катодом к аноду столба, и полупроводникового ключа перевода тока, соединенного свободным выводом с катодом столба, а также генератор импульсов тока накачки, состоящий из последовательно соединенных низкочастотных низковольтного источника напряжения и полностью управляемого полупроводникового ключа накачки и включенный между средним выводом блока перевода тока и катодом столба, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и уменьшения установленной мощности, в генератор импульсов тока накачки дополнительно введены формирующий дроссель и диод поддержания тока, анод которого соединен с отрицательным зажимом источника напряжения и катодом столба, а катод с общей точкой соединения полностью управляемого полупроводникового ключа накачки и первого вывода формируемого дросселя, второй вывод которого соединен со средним выводом блока перевода тока, причем упомянутый высоковольтный низкочастотный вентильный элемент выполнен в виде высоковольтной полупроводниковой структуры, обладающей инерционными свойствами восстановления обратной вентильной прочности. 2. Вентиль по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД путем организации контура рекуперации энергии формирующего дросселя генератора, дополнительно введен диод рекуперации, соединенный анодом со средним выводом блока перевода тока, а катодом с положительным зажимом низковольтного источника напряжения, а полупроводниковый ключ перевода тока выполнен полностью управляемым. 3. Вентиль по пп.1 и 2, отличающийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных показателей при одновременном снижении коммутационных потерь, дополнительно введен зарядный трансформатор, первичная обмотка которого включена последовательно с цепью питания столба последовательно соединенных тиристоров, а низкочастотный источник напряжения выполнен в виде накопительного конденсатора, зашунтированного цепочкой, состоящей из одностороннего кремниевого ограничителя напряжения и токоограничивающего резистора, причем положительный зажим конденсатора соединен с первым выводом вторичной обмотки зарядного трансформатора, а отрицательный зажим конденсатора соединен с анодом выпрямительного диода, катод которого подключен к второму выводу вторичной обмотки зарядного трансформатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4