Транзисторный регулятор переменного напряжения с демпфирующим конденсатором

 

Предложен трехфазный регулятор с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения, осуществляемым с помощью транзисторного ключа на выходе первого диодного моста, подключенного к одноименным выводам вторичных обмоток согласующего трансформатора, к другим одноименным выводам которого подключен второй диодный мост, причем параллельно выходным зажимам обоих мостов подключены полярные конденсаторы. Техническое решение направлено на проведение плавной коммутации тока без появления значительных коммутационных перенапряжений, которая осуществляется под воздействием напряжения на обкладках демпфирующего конденсатора достаточно большой емкости, подключенного к выходным зажимам первого моста. Для этого указанный конденсатор переводится в режим чередующегося на каждом интервале коммутации разряда-заряда с помощью двух дополнительных транзисторных ключей, один из которых соединяет общие катоды диодов второго моста с общими анодами диодов первого моста, а другой - положительную обкладку демпфирующего конденсатора с общими анодами диодов второго моста. 3 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для ограничения коммутационных перенапряжений путем проведения плавной коммутации тока в схеме трехфазного регулятора переменного напряжения с широтно-импульсной модуляцией.

Известно структурное построение и принцип действия трехфазного регулятора переменного напряжения с широтно-импульсной модуляцией, выполнение которого возможно на тиристорах с искусственной коммутацией (см., например, Руденко B. C., Сенько В.И., Чиженко И.М. Преобразовательная техника.: Киев, "Вища школа", 1978, с.254, рис. 4.32а). В связи с появлением транзисторных IGBT, MOSFET модулей, возможные области применения данного регулятора, например в асинхронном электроприводе, расширились. Этому способствуют достоинства схемы - широкий диапазон регулирования при непрерывном токе нагрузки, а также минимальное количество управляемых вентилей. Наиболее близкое техническое решение содержится в книге указанных авторов "Основы преобразовательной техники". - М.: Высш. школа, 1980, с.177, рис. 3.26. В случае выполнения данного устройства на транзисторных ключах схема будет содержать трехфазный согласующий трансформатор, к одноименным выводам вторичных обмоток которого подключен зажимами переменного тока первый трехфазный мост на диодах, а к другим одноименным выводам тех же обмоток подключена трехфазная нагрузка индуктивного характера и второй диодный мост, причем в параллель выходным зажимам первого моста подключен полярный демпфирующий конденсатор, зашунтированный в направлении разряда первым транзисторным ключом, а к выходным зажимам второго диодного моста подключен полярный конденсатор фильтра низких частот с параллельно подключенным разрядным резистором.

Принцип действия данной схемы, в связи с наличием всего лишь одного ключа, достаточно прост. Он заключается в периодической коммутации со сравнительно высокой тактовой частотой (сотни и тысячи Гц) транзисторного ключа, выполняющего в замкнутом состоянии роль нулевой точки в схеме звезды, по которой собраны вторичные обмотки трансформатора.

При этом включение транзистора приводит к одновременному появлению напряжения во всех трех фазах нагрузки, а выключение - к прерыванию тока в обмотках трансформатора и одновременному обнулению этих напряжений, после чего ток нагрузки имеет возможность замыкаться до начала следующего такта по цепи, содержащей второй диодный мост с подключенным на выходе полярным конденсатором фильтра. Плавное регулирование напряжения нагрузки от нуля до максимума осуществляется широтно-импульсным способом путем изменения длительности включенного состояния транзистора на каждом такте.

Недостатком данной схемы следует признать сравнительно низкую надежность, в связи с высоким уровнем коммутационных перенапряжений на транзисторе, появляющихся в моменты его выключения. Причиной перенапряжений является дополнительная ЭДС индукции, наводимая в индуктивных элементах тех цепей, в которых происходит прерывание тока. Ограничение коммутационных перенапряжений в сетевых преобразователях с запираемыми вентилями традиционными средствами с помощью RC-цепей малоэффективно, так как сопровождается выделением достаточно большой электромагнитной энергии. Наличие же конденсаторного фильтра на выходе второго диодного моста полностью решить данную задачу не может, так как появление коммутационных перенапряжений вызывается индуктивностью не только цепей нагрузки, но и обмоток трансформатора.

С целью более эффективного решения данной проблемы предлагаются некоторые конструктивные изменения в схеме регулятора, которые ведут к уменьшению амплитуды и скорости изменения тока перед выключением транзистора. Для этого на первом этапе каждой коммутации осуществляется предварительный увод части тока обмоток трансформатора в параллельную цепь с согласно включенным демпфирующим конденсатором. На втором этапе после выключения транзистора полярность напряжения на обкладках демпфирующего конденсатора оказывается встречной, что приводит к дальнейшему плавному уменьшению оставшегося значения тока обмоток трансформатора до нуля и возвращению схемы в исходное состояние. Достигаемое уменьшение производной тока приводит к уменьшению ЭДС самоиндукции, наводимой в индуктивных элементах сетевого входа и тем самым способствует решению поставленной задачи. Для проведения подобного рода плавной коммутации в схему вводится еще два транзисторных ключа (второй и третий) сравнительно малой мощности, так как рассчитаны на кратковременное пропускание тока лишь на интервалах коммутации. При этом второй ключ соединяет в проводящем направлении общие катоды второго диодного моста с общими анодами диодов первого моста, а третий ключ соединяет положительную обкладку демпфирующего конденсатора с общими анодами диодов второго моста в проводящем для данных диодов направлении, причем последовательно в цепь каждого конденсатора включен диод, препятствующий саморазряду конденсатора на интервалах включенного состояния транзисторов.

На фиг. 1 приводится схема заявляемого устройства; на фиг.2 - диаграммы фазных напряжений нагрузки Uнa, Uнb, Uнc, а также напряжения на обкладках демпфирующего конденсатора Uc, иллюстрирующие работу регулятора при тактовой частоте коммутаций 700 Гц; на фиг.3 приведены полученные компьютерным моделированием осциллограммы тока нагрузки фазы А Iна, который в известном варианте устройства может иметь прерывистую форму (фиг.3а) и непрерывную форму (фиг. 3б), а также осциллограммы токов первого транзисторного ключа Iv и демпфирующего конденсатора Iс (фиг.3в), иллюстрирующие работу предлагаемого устройства в режиме непрерывного тока нагрузки.

Предлагаемое устройство, согласно схеме фиг. 1, содержит согласующий трансформатор 1, вторичные обмотки которого одноименными выводами подключены к зажимам переменного тока первого диодного моста 2. К другим одноименным выводам вторичных обмоток трансформатора подключен зажимами переменного тока второй диодный мост 3, а также цепи трехфазной нагрузки 4 активно-индуктивного характера. Параллельно выводам первого диодного моста подключен полярный демпфирующий конденсатор 5, зашунтированный первым транзисторным ключом 6 посредством диода 7, препятствующего саморазряду конденсатора. Параллельно выводам второго диодного моста с помощью диода 8 подключен полярный конденсатор фильтра низких частот 9, зашунтированный разрядным резистором 10. Общие катоды диодов второго моста соединены в проводящем ток направлении с общими анодами диодов второго моста с помощью второго транзисторного ключа 11. В свою очередь, положительная обкладка демпфирующего конденсатора 5 соединена в проводящем ток направлении с общими анодами диодов второго моста с помощью третьего транзисторного ключа 12.

Устройство работает следующим образом. Первоначальное подключение трансформатора к питающей сети приводит к заряду конденсаторов 5, 9 по цепям, содержащим диоды мостов 2, 3 и диоды 7, 8, до уровня, равного или превышающего амплитудное значение напряжения вторичных обмоток, в результате чего указанные диоды оказываются запертыми. Последующая работа устройства связана с тактовыми переключениями транзисторов, при этом включение транзисторов 11, 12 на каждом такте происходит с некоторой фазовой задержкой относительно момента включения транзистора 6. На данном интервале включенного состояния транзистора 6 и выключенного состояния транзисторов 11, 12 вторичные обмотки трансформатора с помощью диодного моста 2 и ключа 6 оказываются соединенными по схеме "звезда", в результате чего к нагрузке прикладывается трехфазное питающее напряжение Uнa, Uнb, Uнc, а ток замыкается по цепям, содержащим указанный диодный мост 2, ключ 6, обмотки трансформатора и нагрузку 4. Последующее за этим одновременное включение транзисторов 11, 12 приводит к образованию параллельной цепи с конденсатором 5. Ввиду превышения напряжения конденсатора над напряжением сети ток нагрузки начинает переходить в указанную параллельную цепь, образованную диодами катодной группы моста 3, транзисторным ключом 11, конденсатором 5, транзисторным ключом 12, анодной группой моста 3. Нарастание тока в указанной цепи сопровождается уменьшением тока в другой параллельной цепи, содержащей обмотки трансформатора и ключ 6. Данное состояние схемы характеризует первый этап коммутации, на котором происходит частичный разряд демпфирующего конденсатора 5, сопровождающийся сбросом накопленной в данном конденсаторе электромагнитной энергии в цепь нагрузки. Второй этап коммутации начинается с момента одновременного выключения всех транзисторов 6, 11, 12, однако важно отметить, что при этом ток обмоток трансформатора не прерывается, а продолжает замыкаться, снижаясь до нуля по цепям, содержащим диоды моста 2, диод 7 и встречно включенный конденсатор 5. Благодаря достаточно большой емкости демпфирующего конденсатора 5, ток обмоток трансформатора на данном этапе снижается плавно, при этом его начальное значение, как видно из осциллограммы Iv (фиг.3в), оказывается меньше тока нагрузки. Происходящий при этом повторный заряд конденсатора 5 сопровождается поступлением в него накопленной в обмотках трансформатора электромагнитной энергии. Таким образом, демпфирующий конденсатор в данной схеме работает в режиме двухстороннего обмена энергией с индуктивными элементами трансформатора и нагрузки, что устраняет постепенное накапливание заряда на его обкладках без подключения специального разрядного резистора. Диаграмма напряжения на обкладках демпфирующего конденсатора Uc приведена на фиг. 2. На втором этапе коммутации вплоть до начала следующего такта другая часть тока в цепи нагрузки, также не прерываясь, замыкается по цепи, содержащей диоды моста 3, диод 8 и конденсатор фильтра 9. Наличие указанных цепей исключает резкое прерывание тока при переключении транзисторных ключей, снижает скорость его изменения во времени и тем самым ведет к практически полному устранению коммутационных перенапряжений. В этом убеждают результаты компьютерного моделирования, представленные в виде осциллограмм на фиг.3. В дальнейшем работа схемы происходит аналогично.

Формула изобретения

Транзисторный регулятор переменного напряжения с демпфирующим конденсатором, в схеме которого имеется трехфазный согласующий трансформатор, к одноименным выводам вторичных обмоток которого подключен зажимами переменного тока первый трехфазный мост на диодах, а к другим одноименным выводам тех же обмоток подключена трехфазная нагрузка индуктивного характера и второй диодный мост, причем в параллель выходным зажимам первого моста подключен полярный демпфирующий конденсатор, зашунтированный в направлении разряда первым транзисторным ключом, а к выходным зажимам второго диодного моста подключен полярный конденсатор фильтра низких частот с параллельно подключенным разрядным резистором, отличающийся тем, что в схему вводятся дополнительно второй и третий транзисторные ключи, при этом второй ключ соединяет в проводящем направлении общие катоды диодов второго моста с общими анодами диодов первого моста, а третий ключ соединяет в проводящем направлении положительную обкладку демпфирующего конденсатора с общими анодами диодов второго моста, причем последовательно в цепь каждого конденсатора вводится дополнительный диод, пропускающий ток лишь в направлении заряда конденсатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3