Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное, регулируемый по цепи питания (варианты)

 

Использование: изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для питания и частотного пуска мощных (более 10 кВт) асинхронных двигателей. Может быть использовано для питания мощных синхронных двигателей и активно-индуктивной нагрузки с переменной частотой и напряжением. Сущность изобретения: в состав преобразователя входят: регулируемый источник постоянного напряжения, сглаживающий LC- или С-фильтр, трехфазный мостовой коммутатор напряжения, узлы принудительной коммутации главных тиристоров. Цель изобретения - упрощение схемы преобразователя за счет использования регулируемого источника постоянного напряжения и усовершенствования узла принудительной коммутации главных тиристоров коммутатора в составе преобразователя, при сохранении высокой коммутационной устойчивости тиристоров коммутатора при постоянстве выходного тока преобразователя (на уровне номинального) при изменениях частоты и напряжения на выходе преобразователя, снижение коммутационных потерь за счет исключения из контура перезаряда коммутирующего конденсатора фильтровых конденсаторов и отсутствия потребления мощности от сети дополнительным источником перезаряда коммутирующего конденсатора в номинальных режимах работы преобразователя. Указанная цель достигается двумя различными схемными решениями (вариантами). Общим и существенным для решений являются наличие дополнительной схемы перезаряда, обеспечивающее независимость работы узла принудительной коммутации от изменяющегося напряжения источника питания; двухступенчатый способ коммутации главных тиристоров коммутатора; наличие в узле принудительной коммутации главных тиристоров коммутатора разделительных тиристоров, которые создают условия автономной работы узла; колебательный перезаряд коммутирующего конденсатора; индивидуальное воздействие на главные тиристоры коммутатора. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для питания и частотного пуска мощных (более 10 кВт) асинхронных двигателей. Может быть использовано для питания мощных синхронных двигателей и активно-индуктивной нагрузки с переменной частотой и напряжением. Изобретение позволяет эффективно использовать тиристоры в схемах преобразователей постоянного напряжения в трехфазное переменное, где применение других полупроводниковых приборов затруднено по техническим или экономическим причинам.

Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное, регулируемый по цепи питания (далее преобразователь) относится к устройствам, в состав которых входят: регулируемый источник постоянного напряжения, сглаживающий LC или C - фильтр, трехфазный мостовой коммутатор напряжения (далее коммутатор), узлы принудительной коммутации главных тиристоров.

По способу управления изобретение относится к преобразователям, величина выходного напряжения которых изменяется за счет регулирования по цепи постоянного напряжения, а форма выходного напряжения и частота формируются коммутатором, содержащим в плече встречно-включенные главный тиристор и диод. Наличие LC - или C-фильтра, узлов принудительной коммутации главных тиристоров с коммутирующими конденсаторами и источников их подзаряда в этих схемах является обязательным.

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

Известны устройства, позволяющие решить поставленную задачу [1-4]. Схемы [1] и [2] объединяет наличие колебательного LC-контура, входящего в контур коммутации главных тиристоров инвертора напряжения, отсутствие дополнительных источников подзаряда коммутирующих конденсаторов, однако они обладают рядом недостатков. Во-первых, ток заряда коммутирующего конденсатора проходит через главный тиристор; во-вторых, на форму выходного напряжения накладывается напряжение переходного процесса при заряде коммутирующего конденсатора; в-третьих, необходимы узлы коммутации для каждой фазы, что делает схему более сложной; в-четвертых, невозможность отключить главный тиристор инвертора при включении его на короткое замыкание в нагрузке. При изменении напряжения источника постоянного напряжения необходимы дополнительные источники подзаряда коммутирующих конденсаторов. Устройства [3, 4] требуют для решения поставленной задачи источника заряда коммутирующего конденсатора, но обладают недостатками, описанными в [5].

В качестве прототипа принята схема [5] преобразователя трехфазного напряжения в трехфазное переменное, регулируемого по цепи питания, узел коммутации главных тиристоров которого содержит источник подзаряда коммутирующего конденсатора, в качестве которого используется напряжение на конденсаторе входного фильтра или его части. Данный преобразователь со своим узлом принудительной коммутации главных тиристоров реализуем при условии неизменности напряжения источника питания и при наличии промежуточного преобразователя постоянного напряжения в постоянное со своим обязательным выходным фильтром. Однако схема такого преобразователя является достаточно сложной из-за наличия промежуточного звена преобразования постоянного напряжения в регулируемое постоянное и выходного фильтра. К недостаткам схемы можно отнести большой ток перезаряда коммутирующего конденсатора, так как величина емкости фильтровых конденсаторов на несколько порядков превышает величину емкости коммутирующих конденсаторов.

Цель изобретения - упрощение схемы преобразователя за счет использования регулируемого источника постоянного напряжения и усовершенствования узла принудительной коммутации главных тиристоров коммутатора в составе преобразователя, при сохранении высокой коммутационной устойчивости тиристоров коммутатора при постоянстве выходного тока преобразователя (на уровне номинального) при изменениях частоты и напряжения на выходе преобразователя, снижение коммутационных потерь за счет исключения из контура перезаряда коммутирующего конденсатора фильтровых конденсаторов и отсутствия потребления мощности от сети дополнительным источником перезаряда коммутирующего конденсатора в номинальных режимах работы преобразователя.

Указанная цель достигается двумя различными схемными решениями (вариантами). Общим и существенным для решения являются: наличие дополнительной схемы перезаряда, обеспечивающей независимость работы узла принудительной коммутации от изменяющегося напряжения источника питания; двухступенчатый способ коммутации главных тиристоров коммутатора; наличие в узле принудительной коммутации главных тиристоров коммутатора разделительных тиристоров, которые создают условия автономной работы узла; колебательный перезаряд коммутирующего конденсатора; индивидуальное воздействие на главные тиристоры коммутатора.

Применение изобретения позволяет получить следующие преимущества: независимость работы узла принудительной коммутации от изменяющегося напряжения источника постоянного напряжения преобразователя, что ведет к повышению коммутационной устойчивости главных тиристоров при снижении напряжения на входе коммутатора и сохранении тока нагрузки на уровне, близком к номинальному (расчетному); упрощение схемы преобразователя за счет отсутствия преобразователя постоянного напряжения и регулируемое постоянное и выходного фильтра; снижение токов перезаряда коммутирующего конденсатора; оптимальный выбор емкости коммутирующего конденсатора, величина которой определяется величиной напряжения на дополнительном источнике перезаряда, временем выключения главных тиристоров, величиной тока перезаряда;
отсутствие потребления мощности дополнительным источником перезаряда коммутирующего конденсатора в номинальном режиме, компенсация потерь в контуре коммутации при этом осуществляется за счет источника питания преобразователя;
большая универсальность узла принудительной коммутации в составе преобразователей разной конфигурации.

На фиг. 1 представлен первый вариант преобразователя; на фиг. 2 - отличительный от фиг. 1 фрагмент второго варианта преобразователя.

Общим для предлагаемых вариантов по фиг. 1 и 2 является последовательное соединение регулируемого источника постоянного напряжения 1, сглаживающего фильтра 2 и коммутатора 3. Далее описываются общие схемные решения для вариантов на примере одной фазы фиг. 1.

Основной токоведущий контур коммутатора 3 образуют последовательно соединенные главный тиристор 4 анодом к плюсу коммутатора 3, главный тиристор 5 анодом к главному тиристору 4, катодом к минусу коммутатора 3. Тиристор 4 шунтирован обратным диодом 6, тиристор 5 шунтирован обратным диодом 7. Общая точка главных тиристоров 4 и 5 образует фазу (например, фазу А) коммутатора (или преобразователя).

Узел принудительной коммутации 8 главных тиристоров коммутатора 3 состоит из последовательно соединенных от плюса к минусу коммутатора разделительного тиристора 9, анодом к плюсу коммутатора, дросселя 10, коммутирующего конденсатора 11, разделительного тиристора 12, катодом к минусу коммутатора. Параллельно последовательной цепочке из дросселя 10 и коммутирующего конденсатора 11 подключен 3-фазный тиристорный мост из коммутирующих тиристоров 13-18. Катодная группа из коммутирующих тиристоров 13-15 подключена к катоду разделительного тиристора 9, анодная группа из коммутирующих тиристоров 16-18 подключена к аноду разделительного тиристора 12. Общая точка коммутирующих тиристоров 13 и 16 образует фазу (например, фазу А). Фазные выводы 3-фазного моста из коммутирующих тиристоров соединены с соответствующими фазными выводами коммутатора 3.

Контур перезаряда коммутирующего конденсатора 19 подключен параллельно цепочке из дросселя 10 и коммутирующего конденсатора 11 и состоит из последовательно соединенных в направлении перезаряда (от катода тиристора 9 к аноду тиристора 12) дросселя 20, диодного 3-фазного (или 2-фазного) моста 21 (анодная группа которого соединена с дросселем 20), тиристора перезаряда 22. Диодный мост 21 шунтирован конденсатором 23.

Вариант 2 (фиг. 2) отличается от варианта 1 тем, что в рассматриваемом функциональном блоке 24 (фиг. 1) вместо диодного моста 21, тиристора перезаряда 22, конденсатора 23 используется полууправляемый тиристорный 2-фазный мост, образованный тиристорами 25-27 (анодная группа) и диодами 28-30 (катодная группа). Анодная группа соединена с дросселем 20.

Принципы работы схемы рассмотрим на примере коммутации главного тиристора 4 (фиг. 1). Начальное напряжение (показано на фиг. 1 знаками плюс и минус без скобок) на коммутирующем конденсаторе 11 формируется в момент включения тиристора перезаряда 22. Происходит заряд коммутирующего конденсатора 11 в контуре перезаряда: 11-10-20-21 (и 23)-22-11. Величина напряжения на конденсаторе 23 определяется из условия обеспечения необходимого начального напряжения на коммутирующем конденсаторе 11, исходя из условий обеспечения коммутации главных тиристоров и уменьшения коммутационных потерь.

Для варианта 2 заряд коммутирующего конденсатора 11 осуществляется в контуре: 11-10-20-полууправляемый 3-фазный тиристорный мост 11. В дальнейшем, когда напряжение на коммутирующем конденсаторе 11 после окончания процесса коммутации превышает напряжение регулируемого источника питания 1 в номинальном режиме (напряжение источника 1 максимально), перезаряд коммутирующего конденсатора осуществляется только включением одного из тиристоров 25, 26 или 27.

По окончании процесса перезаряда коммутирующего конденсатора 11 тиристоры контура перезаряда 22 или 25-27 закрываются. Открываются коммутирующий тиристор 16 и разделительный тиристор 9. Происходит перезаряд коммутирующего конденсатора 11 в контуре: 11-16-6(4)-9-10-11 до полярности, указанной в скобках. В процессе перезаряда коммутирующего конденсатора 11 происходит отключение главного тиристора 4. Как только напряжение на коммутирующем конденсаторе 11 превысит напряжение регулируемого источника питания, разделительный тиристор 9 и коммутирующий тиристор 16 закрываются и процесс коммутации заканчивается.

После окончания процесса коммутации включается цепь перезаряда 19 (тиристор перезаряда 22, вариант 1, или тиристоры перезаряда 25-27, вариант 2), напряжение на коммутирующем конденсаторе 11 устанавливается со знаками, показанными на фиг. 1 без скобок. При этом необходимо отметить, что перезаряд коммутирующего конденсатора 11 по варианту 1 происходит не только через конденсатор 23, но и через последовательно соединенные диоды моста 21, что позволяет снизить потребление из сети 3-фазного переменного напряжения.

Если преобразователь работает в номинальном режиме, то по варианту 2 достаточно включить один из тиристоров 25, 26 или 27. Для варианта 1 отключение конденсатора 23 также исключает потребление энергии из 3-фазной сети, так как перезаряд коммутирующего конденсатора происходит при включении тиристора перезаряда 22, через последовательно соединенные диоды моста 21.

Величина индуктивности дросселей 10 и 20 определяется из условия обеспечения необходимого времени перезаряда, ограничения тока перезаряда, обеспечения колебательности перезаряда.

Разделительные тиристоры 9 и 12 обеспечивают независимую от изменяющегося напряжения регулируемого источника питания 1 работу узла принудительной коммутации 8 в части поддержания необходимого начального напряжения на коммутирующем конденсаторе 11.

Формула изобретения

1. Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное, регулируемый по цепи питания, содержащий последовательно соединенные регулируемый источник постоянного напряжения, LC-фильтр, трехфазный мостовой коммутатор, главные тиристоры которого шунтированы обратными диодами, и узел принудительной коммутации главных тиристоров коммутатора, включающий в себя последовательную цепочку из дросселя и коммутирующего конденсатора, включенную между полюсами коммутатора соответственно через первый и второй разделительные тиристоры, коммутирующие тиристоры, соединенные в трехфазную мостовую схему, между полюсами которой включена указанная последовательная цепочка, и контур перезаряда коммутирующего конденсатора с тиристором перезаряда, подключенный параллельно последовательной цепи из дросселя и коммутирующего конденсатора, отличающийся тем, что контур перезаряда выполнен в виде последовательной цепи из дросселя, трехфазного диодного моста, питаемого от источника трехфазного переменного напряжения, с конденсатором, включенным между полюсами трехфазного диодного моста, и тиристора перезаряда.

2. Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное, регулируемый по цепи питания, содержащий последовательно соединенные регулируемый источник постоянного напряжения, LC-фильтр, трехфазный мостовой коммутатор, главные тиристоры которого шунтированы обратными диодами, и узел принудительной коммутации главных тиристоров коммутатора, включающий в себя последовательную цепочку из дросселя и коммутирующего конденсатора, включенную между полюсами коммутатора соответственно через первый и второй разделительные тиристоры, коммутирующие тиристоры, соединенные в трехфазную мостовую схему, между полюсами которой включена указанная последовательная цепочка, и контур перезаряда коммутирующего конденсатора, подключенные параллельно последовательной цепи из дросселя и коммутирующего конденсатора, отличающийся тем, что контур перезаряда коммутирующего конденсатора выполнен в виде последовательно соединенных дросселя и трехфазного полууправляемого тиристорного моста, получающего питание от источника трехфазного переменного напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2