Узел принудительной коммутации силовых тиристоров трехфазного автономного инвертора напряжения

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для работы в составе трехфазного автономного инвертора напряжения, регулируемого по цепи питания и предназначенного для питания и частотного пуска мощных (более 10 кВт) асинхронных двигателей, а также для питания мощных синхронных двигателей и активно-индуктивной нагрузки с переменной частотой и напряжением. Сущность изобретения: особенностью работы рассматриваемого преобразователя является сохранение постоянного выходного тока, близкого к номинальному, при глубоком изменении напряжения регулируемого источника постоянного напряжения и выходной частоты, что создает особые условия работы узла принудительной коммутации главных тиристоров коммутатора, при которых требуется сохранить коммутационную устойчивость главных тиристоров при низких значениях напряжения регулируемого источника постоянного напряжения. Цель изобретения, снижение напряжения на элементах участвующих в процессе коммутации, снижение обоих коммутационных потерь и в конечном счете снижение массогабаритных показателей узла принудительной коммутации. Указанная цель достигается за счет введения средней точки в источнике подзаряда и отделение его от коммутирующих конденсаторов дополнительными тиристорами, также вводится дополнительный дроссель для ограничения токов подзаряда коммутирующих конденсаторов. 5 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для работы в составе трехфазного автономного инвертора напряжения (далее по тексту АИН), регулируемого по цепи питания. Упомянутый АИН предназначен для питания и частотного пуска мощных (более 10 кВт) асинхронных двигателей, а также для питания мощных синхронных двигателей и активно-индуктивной нагрузки с переменной частотой и напряжением.

Изобретение позволяет эффективнее использовать тиристоры в схемах преобразователей постоянного напряжения в трехфазное переменное, где применение других полупроводниковых приборов (например, транзисторов) затруднено по техническим или экономическим причинам.

Рассматриваемое изобретение функционирует в преобразователях (АИН), в состав которых входят регулируемый источник постоянного напряжения, сглаживающий LC- или C-фильтр, трехфазный мостовой коммутатор напряжения (далее по тексту Коммутатор). У вышеупомянутых преобразователей величина выходного напряжения изменяется за счет регулирования напряжения по цепи постоянного напряжения, а форма выходного напряжения и частота формируются коммутатором, содержащем в плече встречно-включенные главный тиристор и диод. Наличие узлов принудительной коммутации главных тиристоров, коммутирующих конденсаторов и источников их подзаряда в этих схемах является обязательным.

Особенностью работы рассматриваемого АИН является сохранение постоянного выходного тока, близкого к номинальному, при глубоком изменении напряжения регулируемого источника постоянного напряжения и выходной частоты (с соблюдением соотношения U_вых/F_вых const.), что создает особые усилия работы узла принудительной коммутации главных тиристоров коммутатора, при которых требуется сохранить коммутационную устойчивость главных тиристоров при низких значениях напряжения регулируемого источника постоянного напряжения.

В качестве прототипа выбираем схему узла коммутации главных тиристоров трехфазного автономного инвертора напряжения, регулируемого по цепи питания, который содержит источники подзаряда коммутирующих конденсаторов [1] В схеме узла принудительной коммутации [1] (для сопоставления будем рассматривать вариант 3) источник подзаряда 13 подключен параллельно к двум коммутирующим конденсаторам. Это приводит к тому, что напряжение на каждом из коммутирующих конденсаторов в процессе коммутации достигает величины, в три раза превышающей напряжение источника питания (в случае номинального режима), которое устанавливается на коммутирующем конденсаторе по окончании процесса коммутации (см. [1] фиг. 4 6, 10, 11). Это происходит в момент включения контура предварительного заряда (например, 10 12 15 16). При этом высокое напряжение формируется на тиристорах 14, 16, 19, 17, 20, 21, кроме того, ток источника 13 может достичь высоких значений, поскольку схемно ничем не ограничен.

Цель изобретения усовершенствование узла принудительной коммутации главных тиристоров коммутатора для рассматриваемого класса АИН, при котором происходит снижение напряжения на элементах, участвующих в процессе коммутации, снижение общих коммутационных потерь и в конечном счете снижение массогабаритных показателей узла принудительной коммутации.

Указанная цель достигается за счет введения средней точки в источнике подзаряда и отделения его от коммутирующих конденсаторов дополнительными тиристорами, также вводится дополнительный дроссель для ограничения токов подзаряда коммутирующих конденсаторов.

Применение изобретения позволяет получать следующие преимущества: независимость работы коммутирующих конденсаторов в процессе коммутации от источника подзаряда; снижение напряжения на коммутирующих конденсаторах и элементах узла принудительной коммутации; снижение массогабаритных показателей узла принудительной коммутации; ограничение тока источника подзаряда; отсутствие накопления энергии в коммутирующих конденсаторах, компенсация потерь в контуре коммутации осуществляется источником подзаряда.

На фиг. 1 представлена схема трехфазного АИН с рассматриваемым узлом принудительной коммутации главных тиристоров коммутатора.

На фиг. 2 и 3 представлены диаграммы токов и напряжений основных элементов АИН в режиме максимального напряжения регулируемого источника постоянного напряжения соответственно для прототипа, для заявленной схемы.

На фиг. 4 и 5 представлены диаграммы токов и напряжений основных элементов АИН в режиме минимального напряжения регулируемого источника постоянного напряжения соответственно для прототипа, для заявленной схемы.

АИН (фиг. 1) содержит регулируемый источник постоянного напряжения 1, трехфазный коммутатор 2, узел принудительной коммутации главных тиристоров 3.

Основной токоведущий контур коммутатора 2 образуется от плюса источника питания 1 к аноду главного тиристора 4, главный тиристор 5 (анодом к катоду тиристора 4) катодом к минусу источника питания 1. Тиристор 4 шунтирован обратным диодом 6, тиристор 5 шунтирован обратным диодом 7. Общая точка главных тиристоров 4 и 5 образует выходную фазу (например, фазу А) коммутатора 2 (или АИН). Аналогично образуются выходные фазы B и C.

Узел принудительной коммутации 3 включает в себя последовательную цепочку, соединяющую плюс и минус источника питания 1, состоящую из разделительного тиристора 8 (анод которого соединен с плюсом источника 1), двух коммутирующих конденсаторов 9 и 10, разделительного тиристора 11 (катод которого соединен с минусом источника 1). Общая точка конденсаторов 9 и 10 соединена с дросселем предварительного перезаряда 12. Параллельно конденсатору 9 и дросселю 12 включен тиристор 13 (катодом к дросселю 12), образуя цепь предварительного перезаряда 9-13-12. Параллельно конденсатору 10 и дросселю 12 включен тиристор 14 (анодом к дросселю 12), образуя цепь предварительного переразряда 10-12-14. Общая точка коммутирующих конденсаторов 9 и 10 через дроссель предварительного перезаряда 12 соединена с первыми выводами пар встречно-параллельно включенных коммутирующих тиристоров 15 и 16, другие выводы пар встречно- параллельно включенных коммутирующих тиристоров соединены с общей точкой главных тиристоров 4 и 5 соответствующей фазы (в рассматриваемом случае фаза А). Аналогичным образом общая точка коммутирующих конденсаторов 9 и 10 через дроссель предварительного перезаряда 12 и другие две пары встречно-параллельно включенных тиристоров соединяются с фазами B и C.

Дроссель подзаряда 17 соединен одним концом с общей точкой коммутирующих конденсаторов 9 и 10. Цепь подзаряда из конденсатора 18 и тиристора 19 включена параллельно дросселю 17 и коммутирующему конденсатору 9. Цепь подзаряда из конденсатора 20 и тиристора 21 включена параллельно дросселю 17 и коммутирующему конденсатору 10. Последовательно включенные конденсаторы 18 и 20 подключены параллельно источнику поздзаряда 22. Тиристор 19 анодом подсоединен к плюсу, а катод тиристора 21 к минусу источника подзаряда 22.

Фиг. 2 5 иллюстрируют работу АИН с параметрами: E_пит 1(макс) 500 B, E_пит 1(мин) 50 B, P_нагр 130 кВт, E_пит 22 1200 B, E_вых 400 Гц, cosϕ 0,7, C9 C10 20 мкф, C18 C20 100 мкф, L12 L17 5 мкГн.

Выходной ток коммутатора 2 (или АИН) имеет одинаковое значение при различных значениях напряжения источника питания 1.

Для удобства сопоставления диаграмм токов и напряжений прототипа (фиг. 2, 4) и заявляемой схемы (фиг. 3, 5) выбраны элементы, несущие одинаковое функциональное значение, обозначения приняты в соответствии с фиг. 1.

Обозначения на фигурах соответствуют (в скобках номер элемента по схеме прототипа фиг. 3 [1]): 14,6 суммарный ток тиристора 4 и диода 6, положительное направление тока соответствует току через тиристор 4 (4); 15,7 суммарный ток тиристора 5 и диода 7, положительное направление тока соответствует току через тиристор 5 (7); I_a линейный ток на выходе АИН;
U_ab линейное напряжение на выходе АИН;
U_a фазное напряжение на выходе АИН;
U₈ напряжение на тиристоре 8 (14);
U₉ напряжение на конденсаторе 9 (10);
U₁₀ напряжение на конденсаторе 10 (11);
U₁₃ напряжение на тиристоре 13 (16);
I₁₈ ток конденсатора 18 (конденсатора источника 13);
U_15,16 напряжение на тиристорах 15, 16 (20, 21);
I₂₂ ток источника поздзаряда 22 (13).

Принципы работы схемы рассмотрим на примере коммутации главного тиристора 4 (фиг. 1). Начальное напряжение на конденсаторе 9 показано на фиг. 1 знаками плюс и минус без скобок. После включения тиристора 13 происходит перезаряд конденсатора 9 в контуре 9-13-12 с полярностью, указанной в скобках. Тиристор 13 закрывается под воздействием обратного напряжения. Открывается тиристоры 8 и 15. Происходит перезаряд конденсатора 9 в контура 9-12-15-4(6)-8-9 до полярности, указанной без скобок. В процессе перезаряда конденсатора 9 происходит отключение тиристора 4, когда ток перезаряда конденсатора 9 превысит ток нагрузки. Как только напряжение на конденсаторе 9 превысит напряжение источника питания 1, тиристоры 8 и 15 закрываются. В процессе этого этапа коммутации напряжение на коммутирующих конденсаторах (фиг. 3, 5, U₉, U₁₀) практически не превышает напряжения источника питания 1 в отличие от прототипа, где это превышение достигает трехкратного значения (фиг. 2, 4, U₉, U₁₀).

Следующий этап работы схемы (до коммутации очередного главного тиристора) заключается в том, что включается тиристор 19 контура подзаряда. При этом, если напряжение на коммутирующем конденсаторе 9 больше напряжения на конденсаторе 18, то подзаряда коммутирующего конденсатора 9 не происходит (фиг. 3, 118, 122). В схеме прототипа в этом же режиме (номинальный режим) имеет место значительное потребление тока источника подзаряда (фиг. 2, 118, 122). Если напряжение на коммутирующем конденсаторе 9 меньше напряжения на конденсаторе 18 (что имеет место при снижении напряжения источника питания 1), то после включения тиристора 19 происходит колебательный подзаряд коммутирующего конденсатора 9. Напряжение на нем чуть выше половины напряжения источника подзаряда 22 (фиг. 5 U₉, U₁₀), но значительно ниже, чем по варианту прототипа (фиг. 4 U₉, U₁₀). Потребляемый ток от источника поздзаряда 221 в рассматриваемой схеме ниже чем у прототипа (118, 122 фиг. 5, фиг. 4). После окончания работы контура подзаряда пресс коммутации главного тиристора 4 заканчивается.

Формула изобретения

Узел принудительной коммутации силовых тиристоров трехфазного автономного инвертора напряжения, содержащий цепочку, соединяющую полюса инвертора напряжения, состоящую из последовательно соединенных первого разделительного тиристора, двух коммутирующих конденсаторов и второго разделительного тиристора, анод первого разделительного тиристора связан с положительным полюсом инвертора напряжения, а катод второго с отрицательным, источник подзаряда коммутирующих конденсаторов, дроссель предварительного перезаряда, подсоединенный к общей точке коммутирующих конденсаторов, и две цепи предварительного перезаряда, каждая из которых содержит тиристор и включена параллельно цепи из соответствующего коммутирующего конденсатора и дросселя предварительного перезаряда, общая точка коммутирующих конденсаторов через дроссель предварительного перезаряда соединена с первыми выводами пар встречно-параллельно включенных коммутирующих тиристоров каждой фазы, другие выводы которых образуют выходные выводы для подключения главных тиристоров соответствующей фазы инвертора, отличающийся тем, что в него введены дополнительно дроссель подзаряда, соединенный одним концом с общей точкой коммутирующих конденсаторов, и две цепи подзаряда, каждая из которых содержит тиристор и конденсатор, причем конденсаторы соединены последовательно, имеют общую точку с другим концом дополнительного дросселя подзаряда и подключены параллельно источнику подзаряда коммутирующих конденсаторов, анод тиристора одной из дополнительных цепей подзаряда соединен с плюсом источника подзаряда, а катод соединен с катодом первого разделительного тиристора, катод тиристора другой дополнительной цепи подзаряда соединен с минусом источника подзаряда, а его анод соединен с анодом второго разделительного тиристора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5