Преобразователь постоянного напряжения

 

Преобразователь предназначен для формирования из входного постоянного высоковольтного напряжения заданного количества выходных напряжений различных уровней. Для упрощения схемы при обеспечении надежной работы в широком диапазоне входных напряжений в преобразователе, что является технических результатом, дроссель каждого LС-фрильтра выполнен с одной обмоткой на двух П-образных сердечниках с кернами, имеющих разные немагнитные зазоры. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям постоянного высоковольтного напряжения (в частности, 4 кВ) в заданное количество постоянных напряжений различных уровней.

Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий основную и две дополнительные инверторные ячейки, каждая из которых выполнена на двух тиристорах, выходные трансформаторы, подключенные к выпрямителю, и генератор коммутирующих импульсов (см. А. С. СССР N 1705981, кл. H 02 M 3/305, от 29.06.89 г.).

Однако известное устройство не обеспечивает надежную работу полупроводниковых ключевых элементов при высоком входном напряжении, особенно в случае их построения из нескольких последовательно соединенных тиристорных ячеек.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является преобразователь постоянного напряжения, содержащий мост, плечи первой стойки которого образованы конденсаторами, одни выводы которых подключены к соответствующим шинам входного напряжения, другие выводы через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора и конденсатора, подключены к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, управляющий вход которого соединен с выходом соответствующего блока формирования сигналов управления, вход которого подключен к одному из парафазных выходов переключающего логического элемента, управляемого от генератора импульсов, к диагонали моста подключена первичная обмотка силового трансформатора, n вторичных обмоток (где n - целое число), каждая из которых подключена через соответствующий выпрямитель и LC-фильтр к выходным шинам (Пат. РФ N 2111604, кл. H 02 M 3/00, от 1997 г.).

Недостатком этого известного устройства является сложность электрической схемы из-за использования дополнительной вторичной обмотки, выпрямителя и фильтра.

Техническим результатом является упрощение электрической схемы при обеспечении точности поддержания выходных напряжений при широком изменении входного напряжения.

Для этого в преобразователе постоянного напряжения, содержащем мост, плечи первой стойки которого образованы конденсаторами, одни выводы которых подключены к соответствующим шинам входного напряжения, другие выводы через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора и конденсатора, подключены к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, управляющий вход которого соединен с выходом соответствующего блока формирования сигналов управления, вход которого подключен к одному из парафазных выходов переключающего логического элемента, управляемого от генератора импульсов, к диагонали моста подключена первичная обмотка силового трансформатора, n вторичных обмоток (где n - целое число), каждая из которых подключена через соответствующий выпрямитель и LC-фильтр к выходным шинам, для увеличения внутреннего сопротивления преобразователя на малых токах нагрузки и исключения превышения выходным напряжением допустимого значения при работе на минимальную нагрузку дроссель каждого LC-фильтра выполнен с одной обмоткой на двух П-образных сердечниках с кернами, имеющих разные немагнитные зазоры X₁ и X₂, причем X₂/X₁=I₂/I₁, где I₂ и I₁ - значения токов насыщения второго и первого П-образных сердечников.

Сущность изобретения заключается в том, что выполнение дросселя фильтра согласно вышеописанному позволяет упростить электрическую схему и при высоком КПД обеспечить точность поддержания выходных напряжений (при широком изменении входного напряжения).

Сравнение предлагаемого преобразователя с ближайшими аналогами позволяет утверждать о соответствии изобретения критерию "новизна", а отсутствие в аналогах отличительных признаков говорит о выполнении критерия "изобретательский уровень". Предварительные испытания позволяют утверждать о возможности широкого промышленного внедрения.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - конструкция дросселя.

Преобразователь содержит шины 1, 2 входного высоковольтного напряжения, к которым подключены одни выводы конденсаторов 3, 4, образующих плечи первой стойки моста.

Другие выводы конденсаторов 3, 4 подключены к диагонали моста, образованной колебательным контуром из последовательно соединенных реактора 5 и конденсатора 6, к первому выводу первичной обмотки 7 силового трансформатора 8, вторичные обмотки 9-1. . .9-K которого через выпрямители 10-1...10-K и соответствующие фильтры 11-1...11-K подключены к шинам 12-1...12-K, 13-1... 13-K выходного напряжения.

Второй вывод первичной обмотки 7 силового трансформатора 8 подключен к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, выполненным в виде последовательно соединенных тиристорных ячеек 14-1...14-N и 15-1...15-N, управляющие входы которых соединены с выходом соответствующего блока 16 или 17 формирования сигналов управления, вход каждого из которых подключен к соответствующему парафазному выходу 18 или 19 многовходового переключающего логического элемента 20. Вход последнего соединен с выходом генератора 21 задающей частоты.

Каждый фильтр 11-i содержит конденсатор 22 и дроссель 23.

Дроссель 23 выполнен с одной обмоткой 24 на двух П-образных сердечниках 25, 26 с кернами 27, 28 таким образом, что образованы разные немагнитные зазоры 29 и 30, величины которых соотносятся согласно формуле X₂/X₁ = I₂/I₁, где I₂ и I₁ - значения токов насыщения второго и первого П-образных сердечников.

Немагнитные зазоры 29, 30 могут быть выполнены путем использования немагнитных прокладок.

Каждая силовая ключевая ячейка 14-1...14-N и 15-1...15-N содержит обратный диод либо с тиристором, либо с аналогичным тиристору транзистором.

Переключающий элемент 20 может быть выполнен в виде счетного триггера.

Преобразователь работает следующим образом.

При наличии входного напряжения генератор 21 постоянно с требуемой частотой вырабатывает импульсы на переключающий элемент 20, под действием которых на очередных выходах 18 и 19 вырабатываются сигналы, по фронту либо по срезу которых соответствующий блок 16 или 17 формирует сигнал управления на открытие соответствующих силовых ячеек 14-1...14-N и 15-1...15-N.

Входное постоянное напряжение при очередном открывании силовых ключевых ячеек 14-1. . . 14-N верхнего плеча или силовых ключевых ячеек 15-1...15-N нижнего плеча преобразуется на реакторе 5 и конденсаторе 6 колебательного контура в однофазное переменное напряжение и подается на первичную обмотку 7 силового трансформатора 8, которое из одного уровня преобразуется во вторичных обмотках 9-1...9-K в требуемые напряжения других уровней, которые после выпрямителей 10-1. . . 10-K и сглаживающих фильтров 11-1...11-K образуют на положительных выходных клеммах 12-1...12-K и отрицательных выходных клеммах 13-1...13-K требуемые выходные напряжения преобразователя.

При больших нагрузках, соответствующих току выше I_м/m, где I_м - максимальное значение тока, П-образный сердечник 25, имеющий малый немагнитный зазор 29, входит в насыщение, а второй П-образный сердечник 26, имеющий большой немагнитный зазор 30, не насыщается.

В результате общая индуктивность дросселя 23 снижается приблизительно в S₂₆/(S₂₆+S₂₅m) раз, где S₂₅ и S₂₆ - сечения магнитопроводов П-образных сердечников 25 и 26 соответственно. Значение данной индуктивности рассчитывается по традиционным методикам с учетом того, что снижение частоты ограничено насыщением силового трансформатора 8 и ток I_м/m является минимальным, при котором осуществляется требуемая точность поддержания выходного напряжения.

При снижении тока нагрузки ниже I_м/m П-образный сердечник 25 выходит из насыщения и по сравнению с предыдущим случаем общая индуктивность фильтра увеличивается в (S₂₆ + S₂₅m)/S₂₆ раз. В результате минимальное значение тока нагрузки, при котором осуществляется требуемая точность поддержания выходного напряжения, снижается в (S₂₆/(S₂₆+S₂₅m))^0,5.

Благодаря этому увеличивается полное внутреннее сопротивление преобразователя и обеспечивается точность поддержания выходных напряжений преобразователя при широком изменении входного напряжения и широком диапазоне изменения тока нагрузок от I_м(S₂₆/(S₂₆+S₂₅m))^0,5 до I_м [А], и при ограничении снижения частоты регулирования, обусловленного насыщением силового трансформатора. Соответственно ток поднагрузки может быть снижен в [(S₂₆+S₂₅m)^0,5] /(S^0,5₂₆ m) раз, что обуславливает снижение потерь в поднагрузке в (S₂₆/m+S₂₅)/(S₂₆m) раз и соответственно определяет повышение КПД преобразователя. Также при малых нагрузках отсутствует превышение выходного напряжения над номинальным значением, что обуславливает надежность работы конденсатора фильтра и соответственно всего преобразователя в целом.

Таким образом, при относительной простоте электрической схемы обеспечиваются повышение КПД, точность поддержания выходных напряжений и надежная работа преобразователя при широком изменении входного напряжения, особенно при малых нагрузках и при ограничении снижения частоты регулирования, обусловленного насыщением силового трансформатора.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения, содержащий мост, плечи первой стойки которого образованы конденсаторами, одни выводы которых подключены к соответствующим шинам входного напряжения, другие выводы через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора и конденсатора, подключены к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, управляющий вход которого соединен с выходом соответствующего блока формирования сигналов управления, вход которого подключен к одному из парафазных выходов переключающего логического элемента, управляемого от генератора импульсов, к диагонали моста подключена первичная обмотка силового трансформатора, каждая из n вторичных обмоток которого подключена через соответствующий выпрямитель и LC-фильтр к выходным шинам, отличающийся тем, что для увеличения внутреннего сопротивления преобразователя на малых токах нагрузки и исключения превышения выходным напряжением допустимого значения при работе на минимальную нагрузку дроссель каждого LC-фильтра выполнен с одной обмоткой на двух П-образных сердечниках с кернами, имеющих разные немагнитные зазоры Х₁ и Х₂.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2