Преобразователь переменного тока в постоянный

 

Использование: преобразователь обеспечивает генерирование и потребление реактивной мощности во всех режимах и может быть использован в выпрямителях с искусственной коммутацией, источниках реактивной мощности, электроприводах постоянного тока. Сущность изобретения: изобретение направлено на упрощение преобразователя, расширение функциональных возможностей, улучшение массогабаритных показателей, снижение стоимости, повышение надежности и обеспечение возможности разработки преобразователей большой мощности. Преобразователь содержит трансформатор, вторичная обмотка 1 которого соединена в звезду и подключена к выводам переменного тока силовых мостовых выпрямителей /СМВ/. В каждом СМВ общая точка анодов вентилей 3, 5, 7 /9, 11, 13/ связана с анодом первого полностью управляемого вентиля /ПУБ/, 18, 20 с анодом первого диода 22/24/ и с первым выходным выводом для подключения нагрузки. Общая точка соединения катодов вентилей 2, 4, 6 /8, 10, 12/ моста соединена с катодом второго ПУВ /19/21/ катодом второго диода 23/25/ и с вторым выходным выводом. Емкостной фильтр, выполненный в виде цепочки из двух последовательно соединенных конденсаторов 14,15 /16,17/, одним выводом цепочки конденсаторов соединен с катодом первого ПУВ и 18 /20/ и с анодом второго диода 23/25/, а другим выводом - с анодом второго ПУВ 19(21) и с катодом первого диода 22 (24), каждый из зарядных источников 26-29 включен параллельно оному из конденсаторов емкостного фильтра, общая точка соединения конденсаторов емкостных фильтров связана через дроссели 30, 31 с общей точкой звезды вторичной обмотки. ПУВ защунтированы встречно включенными диодами 34-37. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в выпрямителях с принудительной коммутацией, источниках реактивной мощности, электроприводах постоянного тока.

Известен преобразователь переменного тока в постоянный, содержащий мост силовых управляемых вентилей, к выводам переменного тока которого подключена вторичная обмотка трансформатора, а выводы постоянного тока моста соединены с выводами для подключения нагрузки [1] Преобразователь имеет низкий коэффициент мощности при глубоком регулировании и оказывает значительное вредное воздействие на питающие сети.

Известен преобразователь переменного тока в постоянный, содержащий мост силовых управляемых вентилей, диодный мост, к выходу которого подключен конденсатор фильтра, выводы которого через диоды связаны с положительным и отрицательным выводами силового моста, два полностью управляемых вентиля, последовательно с которыми включены источники смещения, выполненные в виде конденсатора, зашунтированного источником подзаряда [2] Преобразователь имеет повышенную сложность, установленную мощность конденсаторов фильтра и узла коммутации, пониженную генерацию реактивной мощности и ухудшенные массогабаритные показатели.

Наиболее близким к предлагаемому преобразователю по технической сущности и достигаемому результату является преобразователь переменного тока в постоянный, содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого соединена в звезду и подключена к силовому мосту управляемых вентилей, а через дополнительную обмотку связана с выводами переменного тока диодного моста. Выводы постоянного тока диодного моста через полностью управляемые вентили связаны с одноименными выводами силового моста управляемых вентилей и непосредственно подключены к емкостному фильтру, выполненному в виде двух последовательно соединенных конденсаторов. Общая точка конденсаторов соединена с общей точкой звезды. Выводы постоянного тока силового моста соединены через диоды с разноименными выводами постоянного тока диодного моста [3] Преобразователь относительно сложен, имеет пониженные массогабаритные показатели, ограниченные функциональные возможности, пониженную надежность и повышенную стоимость. Имеются значительные трудности при разработке надежных преобразователей большой мощности, что связано со следующим. В преобразователях большой мощности управляемые вентили включают параллельно. Известно параллельное включение двух полностью управляемых вентилей с введением делителей тока. Однако при этом необходимо использовать полностью управляемые вентили с минимальным разбросом параметров, что в условиях эксплуатации выполнить практически невозможно. В частности, при выключении полностью управляемых вентилей после запирания вентиля с меньшим временем выключения происходит заряд конденсатора его RCD-цепочки. Для полностью управляемых вентилей (тиристоров) типовое значение критической скорости нарастания напряжения равно 500 В/мкс, поэтому при выключении максимально допустимого тока конденсатор зарядится до предельно допустимого напряжения уже через несколько микросекунд. Однако делитель тока будет и дальше стремиться поддерживать равенство тока в ветвях, что приведет к повторному отпиранию по аноду вентиля с меньшим временем выключения, значительному выделению мощности в полупроводниковой структуре и снижению надежности. Дальнейшее увеличение мощности преобразователя связано с еще большими трудностями.

Изобретение направлено на упрощение преобразователя, расширение функциональных возможностей, улучшение массогабаритных показателей, снижение стоимости, повышение надежности и обеспечение возможности разработки преобразователей большой мощности.

Сущность изобретения заключается в том, что, в отличие от известного преобразователя переменного тока в постоянный, содержащего трансформатор, вторичная обмотка которого соединена в звезду и подключена к выводам переменного тока силового мостового выпрямителя на управляемых вентилях, два зарядных источника, емкостной фильтр, выполненный в виде цепочки из двух последовательно соединенных конденсаторов, общая точка соединения которых подключена к общей точке звезды вторичной обмотки, два диода и два полностью управляемых вентиля, причем общая точка соединения анодов вентилей силового выпрямителя соединена с анодом первого полностью управляемого вентиля, с анодом первого диода и с первым выходным выводом для подключения нагрузки, общая точка соединения катодов вентилей силового выпрямителя соединена с катодом второго полностью управляемого вентиля, катодом второго диода и с вторым выходным выводом, емкостной фильтр одним выводом цепочки конденсаторов соединен с катодом первого полностью управляемого вентиля и с анодом второго диода, а другим выводом с анодом второго полностью управляемого вентиля и с катодом первого диода, каждый из зарядных источников включен параллельно одному из конденсаторов указанного емкостного фильтра, в предлагаемом преобразователе переменного тока в постоянный введены, по крайней мере один дополнительный силовой мостовой выпрямитель на управляемых вентилях, емкостные фильтры по количеству дополнительных силовых выпрямителей, диоды, полностью управляемые вентили и зарядные источники в количестве, равном удвоенному числу дополнительных силовых выпрямителей и дроссели, количество которых на единицу больше числа дополнительных силовых выпрямителей, выводы переменного тока которых соединены с вторичной обмоткой трансформатора. Каждый емкостной фильтр выполнен в виде цепочки из двух последовательно соединенных конденсаторов. В каждом дополнительном силовом мостовом выпрямителе общая точка соединения анодов вентилей связана с анодом первого дополнительного полностью управляемого вентиля, с анодом первого дополнительного диода и с первым выходным выводом для подключения нагрузки. Общая точка соединения катодов вентилей моста соединена с катодом второго дополнительного полностью управляемого вентиля, катодом второго дополнительного диода и со вторым выходным выводом. Емкостной фильтр одним выводом цепочки конденсаторов соединен с катодом первого дополнительного полностью управляемого вентиля и с анодом второго дополнительного диода, а другим выводом с анодом второго дополнительного полностью управляемого вентиля и с катодом первого дополнительного диода. Каждый из зарядных источников включен параллельно одному из конденсаторов упомянутого емкостного фильтра. Общая точка соединения конденсаторов емкостных фильтров связана через дроссели с общей точкой звезды вторичной обмотки.

Полностью управляемые вентили зашунтированы встречно включенными диодами.

На чертеже приведена принципиальная схема преобразователя.

Преобразователь переменного тока в постоянный содержит трансформатор, вторичная обмотка 1 которого соединена в звезду и подключена к выводам переменного тока силовых мостовых выпрямителей на управляемых вентилях 2-12, емкостные фильтры по количеству силовых выпрямителей из двух последовательно соединенных конденсаторов 14, 15 и 16, 17, полностью управляемые вентили 18-21, диоды 22-25, зарядные источники 26-29 и дроссели 30-31. В каждом силовом мостовом выпрямителе общая точка соединения анодов вентилей связана с анодом первого полностью управляемого вентиля 18 (20), с анодом первого диода 22 (24) и с выходным выводом для подключения нагрузки. Общая точка соединения катодов вентилей моста соединена с катодом второго полностью управляемого вентиля 19 (21), катодом второго диода 23 (25) и со вторым выходным выводом. Емкостной фильтр одним выводом цепочки конденсаторов соединен с катодом первого полностью управляемого вентиля 18 (20) и с анодом второго диода 23 (25), а другим выводом с анодом второго полностью управляемого вентиля 19 (21) и с катодом первого диода 22 (24). Каждый из зарядных источников 26-29 включен параллельно одному из конденсаторов 14-17 емкостных фильтров. Общие точки соединения конденсаторов 14-15 и 16-17 связаны через дроссели 30 и 31 с общей точкой звезды вторичной обмотки 1. К выходным выводам подключены последовательно соединенные нагрузка 32 и дроссель 33.

Для сброса накопленной энергии полностью управляемые вентили 18-21 зашунтированы встречно включенными диодами 34-37.

Полярность напряжения на конденсаторах фильтров указана на чертеже.

Преобразователь переменного тока в постоянный работает следующим образом.

Пусть открыты управляемые вентили 2, 3 и 8, 9. Ток нагрузки проходит по цепи: 32-3 фазы С и А обмотки 1-2 33-32, а также по цепи: 32-9 фазы С и А обмотки 1-8 33-32. Для выключения вентиля 2 отпирают полностью управляемый вентиль 19, а для выключения вентиля 8 полностью управляемый вентиль 21. Напряжение конденсатора 15 прикладывается через вентиль 2 к фазе А обмотки 1 и к дросселю 30, а напряжение конденсатора 17 прикладывается через вентиль 8 к фазе А обмотки 1 и к дросселю 31. Благодаря относительно низкой скорости нарастания тока в указанных выше контурах разброс во времени включения полностью управляемых вентилей 19 и 21 не оказывает влияния на работу и надежность преобразователя. Ток в фазе А обмотки 1 уменьшается. По окончании переходного процесса ток проходит по цепи: 32-3 фаза С обмотки 1-30-15-19-33-32, а также по цепи: 32-9 фаза С обмотки 1-31-17-21-33-32. К управляемому вентилю 2 прикладывается разность напряжений конденсатора 15 и фазы А обмотки 1, а к вентилю 8 разность напряжений конденсатора 17 и фазы А обмотки 1. Происходит разряд конденсаторов 15 и 17 половиной тока нагрузки 32. После выключения вентилей 2 и 8 запирают полностью управляемые вентили 19 и 21. Полностью управляемые вентили имеют разброс по времени выключения. При выключении более быстродействующего полностью управляемого вентиля 19 ток нагрузки проходит по цепи: 32-3 фаза С обмотки 1-30-14-23-33-32, а также по цепи: 32-9 фаза С обмотки 1-31-17-21-33-32. Дроссели 30 и 31 ограничивают скорость изменения тока в контуре: 14-30-31-17-21-23-14, что исключает подбор полностью управляемых вентилей по времени выключения.

После запирания полностью управляемого вентиля 21 ток нагрузки проходит по цепи: 32-3 фаза С обмотки 1-30-14-23-33-32, а также по цепи: 32-9 фаза С обмотки 1-31-16-25-33-32. Происходит заряд конденсаторов 14 и 16. С задержкой отпирают очередные вступающие в работу управляемые вентили 4 и 10. К фазе В обмотки 1 прикладывается напряжение конденсаторов 14, 16 и по обмотке начинает проходить ток. По окончании переходного процесса ток нагрузки проходит по цепи: 32-3 фазы С и В обмотки 1-4-33-32, а также по цепи: 32-9 фазы С и В обмотки 1-10-33-32.

Лавинные и среднечастотные диоды в сравнении с частотными диодами выпускаются на большие токи и более высокие напряжения, имеют более низкую стоимость и потери, однако имеют большее время обратного восстановления.

После уменьшения тока в диоде 23 до нуля, ток начинает увеличиваться в обратном направлении и протекает по цепи: 4-23-14-30 фаза В обмотки 1-4. После восстановления запирающей способности диода 23 в обратном направлении ток замыкается по цепи: 35-15-30 фаза В обмотки 1-4-35 и избыточная энергия обмотки и дросселя 30 передается конденсатору 15. Аналогично избыточная энергия обмотки и дросселя 31 передается конденсатору 17 через диод 37, что исключает перенапряжения.

Регулируя задержку отпирания очередных вступающих в работу управляемых вентилей, поддерживают уровень напряжения на конденсаторах 14-17. Зарядные источники 26-29 обеспечивают первоначальный заряд конденсаторов 14-17 и обеспечивают требуемый уровень напряжения на конденсаторах при ошибках регулирования величины задержки отпирания очередных вступающих в работу управляемых вентилей.

Для выключения управляемых вентилей анодной группы мостов отпирают полностью управляемые вентили 18 и 20.

Предлагаемый преобразователь переменного тока в постоянный обеспечивает потребление и генерирование реактивной мощности как в выпрямительном, так и в инверторном режимах, т.е. обеспечивает расширение функциональных возможностей. Значительное упрощение преобразователя позволяет улучшить его массогабаритные показатели, снизить стоимость и повысить надежность. В качестве управляемых вентилей силовых мостов могут быть использованы среднечастотные тиристоры с временем выключения до 250 мкс. Исключение подбора полностью управляемых вентилей, отсутствие перенапряжений, возможность увеличения мощности преобразователя путем параллельного подключения требуемого количества силовых мостовых выпрямителей с узлом коммутации является важным преимуществом предлагаемого преобразователя перед известными. Выравнивание тока силовых мостовых выпрямителей может быть обеспечено при помощи технических решений, применяемых для выравнивания тока параллельно включенных вентилей.

Преобразователи электроприводов должны допускать двухкратный номинальный ток в течение 15 с, поэтому при использовании полностью управляемых вентилей с импульсным выключаемым током 2000 А номинальный ток силового мостового выпрямителя равен 1000 А. При выходном напряжении 1000 В и 5 параллельно включенных силовых мостовых выпрямителях номинальная мощность преобразователя равна 5000 кВт. При совместной работе предлагаемого преобразователя с преобразователем равной мощности с естественной коммутацией обеспечивается коэффициент мощности близкий к единице как в установившихся, так и в переходных режимах, что уменьшает вредное воздействие электроприводов на питающие сети, исключает применение быстродействующих синхронных компенсаторов и благодаря этому позволяет снизить потери на 2-3% При использовании преобразователя с естественной коммутацией мощностью 10000 кВт при пуске бросок реактивной мощности может достигать до 20000 кВАр, для компенсации которого необходимо использовать быстродействующие синхронные компенсаторы мощностью не менее 16000 кВАр. Небыстродействующий синхронный компенсатор КС-16-11 мощностью 16000 кВАр имеет массу 50 т, в то время как предлагаемый преобразователь мощностью 5000 кВт в сравнении с преобразователем с естественной коммутацией содержит дополнительно 10-ть полностью управляемых вентилей (тиристоров) с импульсным выключаемым током 2000 А, 10-ть среднечастотных или лавинных диодов на 500-800А, 20-ть частотных диодов 10-12 класса на 100-160 А и конденсаторы фильтра.

Формула изобретения

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ, содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого соединена в звезду и подключена к выводам переменного тока силового мостового выпрямителя на управляемых вентилях, два зарядных источника, емкостный фильтр, выполненный в виде цепочки из двух последовательно соединенных конденсаторов, два диода и два полностью управляемых вентиля, причем общая точка соединения анодов вентилей силового выпрямителя соединена с анодом первого полностью управляемого вентиля, с анодом первого диода и с первым выходным выводом для подключения нагрузки, общая точка соединения катодов вентилей силового выпрямителя соединена с катодом второго полностью управляемого вентиля, катодом второго диода и с вторым выходным выводом, емкостный фильтр одним выводом цепочки конденсаторов соединен с катодом первого полностью управляемого вентиля и с анодом второго диода, а другим выводом с анодом второго полностью управляемого вентиля и с катодом первого диода, каждый из зарядных источников включен параллельно одному из конденсаторов емкостного фильтра, отличающийся тем, что в него введены по меньшей мере один дополнительный силовой мостовой выпрямитель на управляемых вентилях, дополнительные емкостные фильтры по количеству дополнительных силовых выпрямителей, дополнительные диоды, полностью управляемые вентили и зарядные источники в количестве, равном удвоенному числу дополнительных силовых выпрямителей, и дроссели, количество которых на единицу больше числа дополнительных силовых выпрямителей, выводы переменного тока которых соединены с вторичной обмоткой трансформатора, каждый емкостный фильтр выполнен в виде цепочки из двух последовательно соединенных конденсаторов, причем в каждом дополнительном силовом мостовом выпрямителе общая точка соединения анодов вентилей связана с анодом первого дополнительного полностью управляемого вентиля, с анодом первого дополнительного диода и с первым выходным выводом для подключения нагрузки, общая точка соединения катодов вентилей моста соединена с катодом второго дополнительного полностью управляемого вентиля, катодом второго дополнительного диода и с вторым выходным выводом, емкостный фильтр одним выводом цепочки конденсаторов соединен с катодом первого дополнительного полностью управляемого вентиля и с анодом второго дополнительного диода, а другим выводом с анодом второго дополнительного полностью управляемого вентиля и катодом первого дополнительного диода, каждый из зарядных источников включен параллельно одному из конденсаторов емкостного фильтра, причем общая точка соединения конденсаторов каждого из емкостных фильтров соединена с общей точкой звезды вторичной обмотки через соответствующий дроссель.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что полностью управляемые вентили зашунтированы встречно включенными диодами.

РИСУНКИ

Рисунок 1