Четырехквадрантный преобразователь (варианты)

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве преобразователя напряжения для питания электрических машин переменного тока. Четырехквадрантный преобразователь содержит однофазный трансформатор, управляемый полупроводниковый мост, сетевой дроссель, сглаживающий конденсатор и режекторный LC-фильтр. На выходе упомянутого моста параллельно подключена нагрузка. В четырехквадрантном преобразователе последовательно с сетевым дросселем могут быть установлены два добавочных сетевых дросселя. Номинальная индуктивность первого добавочного дросселя не превышает номинальной индуктивности сетевого дросселя. Номинальная индуктивность второго добавочного дросселя не превышает номинальной индуктивности первого добавочного дросселя. Суммарная индуктивность всех дросселей при максимальном токе имеет значение не ниже максимальной индуктивности сетевого дросселя. Подключение добавочных сетевых дросселей к основному сетевому дросселю и полупроводниковому мосту осуществлено посредством контактов двухполюсного двухпозиционного переключателя. Добавочные сетевые дроссели могут быть подключены к основному дросселю параллельно через соответствующий нормально открытый ключ. В этом случае номинальная индуктивность одного добавочного дросселя ниже номинальной индуктивности сетевого дросселя, а номинальная индуктивность второго добавочного дросселя ниже номинальной индуктивности первого добавочного дросселя. В четырехквадрантом преобразователе обеспечивается повышение кпд за счет снижения потерь энергии в сетевых дросселях, упрощение регулирования напряжения за счет организации работы с линейной и более монотонной зависимостью падения напряжения в индуктивности входной цепи от тока нагрузки. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электроприводу электроподвижного состава переменного тока и предназначено, в частности, для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока.

Известны различные схемные решения четырехквадрантного преобразователя (далее 4QS), содержащего однофазный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к зажимам переменного тока, а вторичная обмотка подключена в диагональ управляемого полупроводникового моста, сглаживающий конденсатор и режекторный индуктивно-емкостной фильтр на выходе упомянутого моста, параллельно которым подключена нагрузка (Патенты ФРГ № 2159397, МПК Н02М 1/12 и № 2217023, МПК Н02М 1/12).

Сложностью указанных преобразователей является необходимость использования силового трансформатора с высоким напряжением короткого замыкания и дросселя, обладающего значительной индуктивностью рассеяния для сглаживания пульсаций сетевого тока. Кроме того, характеристика сетевого дросселя - зависимость индуктивности рассеяния от протекающего через дроссель тока должна обеспечивать заданные выходные параметры преобразователя при любой нагрузке, что в общем случае отрицательно сказывается на кпд и габаритах дросселя.

Наиболее близким по технической сущности является четырехквадрантный преобразователь, содержащий однофазный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к зажимам переменного тока, а зажимы вторичной обмотки подключены в диагональ управляемого полупроводникового моста, сглаживающий конденсатор и режекторный LC-фильтр на выходе упомянутого моста, параллельно которым подключена нагрузка. В качестве вентилей упомянутого полупроводникового моста использованы преимущественно биполярные транзисторы с изолированным затвором. Кроме того, четырехквадрантный преобразователь содержит дроссель, подключенный между одним из зажимов вторичной обмотки и полупроводниковым мостом (А.Г.Вольвич, В.П.Янов. Преобразователи современных тяговых единиц. Электровозостроение: Сб. научных трудов ОАО "Всерос. н-и и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения" (ОАО "ВЭлНИИ"). - 1999. - Т.41. - С.73).

Указанному преобразователю присущи недостатки представленных аналогов. При использовании на современном электроподвижном составе большой мощности такой преобразователь накладывает сложности на процесс регулирования заданных электрических параметров, в частности выходного напряжения. Специфика такого преобразователя обусловлена жесткими требованиями к потерям энергии в реактивных элементах и их тепловому режиму, т.е. приводит, в частности, к необходимости полного использования дросселя по току.

В частности, регулирование выходного напряжения преобразователя обеспечивается вследствие падения напряжения на входной индуктивности, которое, складываясь с эдс трансформатора, повышает напряжение на входе четырехквадрантного преобразователя. С ростом тока нагрузки падение индуктивного напряжения входной цепи изменяется нелинейно, исходя из характера зависимости индуктивности дросселя от тока (фиг.1, например, зависимость L₁ (I)). При высоких нагрузках падение напряжения может быть недостаточным для достижения регулируемых параметров. Применение же дросселя с неизменной характеристикой индуктивности при изменении тока нагрузки приведет к несоблюдению оптимальности конструкции и дополнительным электрическим потерям сетевого дросселя, так как одной из мер, направленной на повышение начальной индуктивности дросселя в электроаппаратостроении, является увеличение воздушного зазора магнитопровода, отказ от использования железа в конструкции дросселя. При этом на участках работы с избыточным падением напряжения на индуктивности входной цепи требуется дополнительная модуляция напряжения, характер которой, исходя из нелинейной характеристики входной индуктивности, будет также нелинейный. Это накладывает дополнительные сложности в определении требуемой модуляции напряжения при изменении нагрузки, усложняет систему управления преобразователя, ухудшает регулирование преобразуемой энергии и приводит к излишним коммутационным потерям в силовых полупроводниковых приборах преобразователя.

Задачей изобретения является разработка четырехквадрантного преобразователя, обеспечивающего снижение электрических потерь в сетевом дросселе за счет реализации оптимальных значений индуктивности входной цепи преобразователя. При этом способы достижения требуемой характеристики дросселя с точки зрения электроаппаратостроения не существенны для данного изобретения.

Поставленная задача решена двумя вариантами четырехквадрантных преобразователей.

Поставленная задача решается тем, что исходя из первого варианта известный четырехквадрантный преобразователь, содержащий однофазный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к зажимам переменного тока, а зажимы вторичной обмотки подключены в диагональ управляемого полупроводникового моста, образованного силовыми полупроводниковыми приборами, предпочтительно биполярными транзисторами с изолированным затвором, дроссель, подключенный к одному из зажимов вторичной обмотки, сглаживающий конденсатор и режекторный LC-фильтр, образованный последовательным соединением катушки индуктивности и конденсатора, на выходе упомянутого моста параллельно подключена нагрузка, дополнительно снабжен последовательно соединенными с сетевым дросселем двумя добавочными сетевыми дросселями, номинальная индуктивность первого из которых не превышает номинальной индуктивности сетевого дросселя, а номинальная индуктивность второго добавочного дросселя не превышает номинальной индуктивности первого добавочного дросселя. При этом суммарная индуктивность всех дросселей при максимальном токе имеет значение не ниже максимальной индуктивности сетевого дросселя. Кроме того, между основным сетевым дросселем и первым дополнительным сетевым дросселем подключена нормально открытая контактная группа двухполюсного двухпозиционного переключателя. Нормально закрытая контактная группа упомянутого переключателя подключена подвижным контактом к выходу основного сетевого дросселя, а неподвижным контактом к выходу первого дополнительного сетевого дросселя и к подвижному контакту нормально закрытой контактной группы второго двухпозиционного переключателя, у которого нормально открытая контактная группа подключена между дополнительными сетевыми дросселями, а неподвижный контакт нормально закрытой контактной группы подключен между вторым дополнительным сетевым дросселем и полупроводниковым мостом.

По второму варианту известный четырехквадрантный преобразователь, содержащий однофазный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к зажимам переменного тока, а зажимы вторичной обмотки подключены в диагональ управляемого полупроводникового моста, образованного силовыми полупроводниковыми приборами, предпочтительно биполярными транзисторами с изолированным затвором, дроссель, подключенный к одному из зажимов вторичной обмотки, сглаживающий конденсатор и режекторный LC-фильтр на выходе упомянутого моста, параллельно которым подключена нагрузка, дополнительно снабжен, преимущественно, двумя добавочными сетевыми дросселями, параллельно подключенными с основным сетевым дросселем. Номинальная индуктивность одного из добавочных дросселей ниже номинальной индуктивности сетевого дросселя, а номинальная индуктивность второго добавочного дросселя ниже номинальной индуктивности первого добавочного дросселя, причем перед каждым из параллельно соединенных дросселей подключен нормально открытый ключ для подключения соответствующего дросселя в цепь нагрузки.

Положительный эффект предлагаемых изобретений состоит в следующем. При использовании в 4QS одного сетевого дросселя значение индуктивности которого является неизменным во всем диапазоне рабочих значений сетевого тока, его масса и габариты являются чрезвычайно высокими и пропорциональными произведению приведенной индуктивности рассеяния входной цепи на квадрат сетевого тока дросселя Li². При этом электрические потери такого дросселя в массивном магнитопроводе и обмотке также являются повышенными, причем при работе дросселя с малой нагрузкой (ниже номинальной) такой мощный дроссель избыточен.

Поэтому целесообразно требуемое значение падения напряжения на индуктивности входной цепи обеспечивать поэтапным подключением дросселей с ростом нагрузки, причем каждый последующий вводимый во входную цепь дроссель должен иметь меньшую номинальную индуктивность, но больший расчетный ток, чем предыдущий подключенный дроссель. Такой преобразователь обеспечит более линейное изменение падения напряжения на индуктивности входной цепи с ростом нагрузки, что улучшает процесс регулирования заданного выходного напряжения 4QS, чем при использовании 4QS с одним сетевым дросселем или вовсе без него, используя только индуктивность силового трансформатора.

При реализации предлагаемого преобразователя среднеэксплуатационные потери энергии входных дросселей за определенный период работы 4QS будут заведомо ниже, чем при использовании одного сетевого дросселя эквивалентной индуктивности во всем диапазоне работы.

Дополнительно, при реализации преобразователя по второму варианту при определенных параметрах возможно расширение ступеней индуктивности путем одновременного подключения сетевых дросселей с учетом того, что эквивалентная индуктивность параллельно подключенных дросселей всегда меньше меньшей из них, то есть

где L₁, L₂ - индуктивности, например, первого и второго добавочных дросселей 18 и 20.

Новым в предлагаемом техническом решении, в отличие от прототипа, является то, что четырехквадрантный преобразователь позволяет упростить процессы регулирования напряжения за счет организации работы с линейной и более монотонной зависимостью падения напряжения в индуктивности входной цепи от тока нагрузки, а также снизить потери энергии в сетевых дросселях.

Сказанное позволяет сделать вывод о причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом.

На приложенных к описанию чертежах показано:

на фиг.1 - зависимости индуктивности дросселя от тока;

на фиг.2 - первый вариант схемы четырехквадрантного преобразователя;

на фиг.3 - второй вариант схемы четырехквадрантного преобразователя;

на фиг.4 - диаграмма формирования постоянной индуктивности входной цепи 4QS;

на фиг.5 - осциллограмма регулируемого напряжения при подключении дополнительных дросселей.

Четырехквадрантный преобразователь по первому варианту содержит однофазный трансформатор 3, первичная обмотка которого подключена к зажимам переменного тока 1 и 2, а зажимы вторичной обмотки трансформатора 3 подключены в диагональ управляемого полупроводникового моста, образованного силовыми полупроводниковыми приборами 5-8, предпочтительно биполярными транзисторами с изолированным затвором, дроссель 4, подключенный к одному из зажимов вторичной обмотки трансформатора 3, сглаживающий конденсатор 9 и режекторный LC-фильтр, образованный последовательным соединением катушки индуктивности 10 и конденсатора 11. На выходе упомянутого моста параллельно подключена нагрузка 12. Последовательно с сетевым дросселем 4 установлено два добавочных сетевых дросселя 14 и 16. Номинальная индуктивность первого добавочного дросселя 14 не превышает номинальной индуктивности сетевого дросселя 4, а номинальная индуктивность второго добавочного дросселя 16 не превышает номинальной индуктивности первого добавочного дросселя 4. При этом суммарная индуктивность всех дросселей 4, 14 и 16 при максимальном токе имеет значение не ниже максимальной индуктивности сетевого дросселя 4. Кроме того, между основным сетевым дросселем 4 и первым дополнительным сетевым дросселем 14 подключена нормально открытая контактная группа двухполюсного двухпозиционного переключателя 13. Нормально закрытая контактная группа упомянутого переключателя 13 подключена подвижным контактом к выходу основного сетевого дросселя 4, а неподвижным контактом к выходу первого дополнительного сетевого дросселя 14 и к подвижному контакту нормально закрытой контактной группы второго двухпозиционного переключателя 15, у которого нормально открытая контактная группа подключена между дополнительными сетевыми дросселями 14 и 16, а неподвижный контакт нормально закрытой контактной группы подключен между вторым дополнительным сетевым дросселем 16 и полупроводниковым мостом преобразователя.

Четырехквадрантный преобразователь по второму варианту содержит однофазный трансформатор 3, первичная обмотка которого подключена к зажимам переменного тока 1 и 2, а зажимы вторичной обмотки трансформатора 3 подключены в диагональ управляемого полупроводникового моста, образованного силовыми полупроводниковыми приборами 5-8, предпочтительно биполярными транзисторами с изолированным затвором, сетевой дроссель 4, подключенный к одному из зажимов вторичной обмотки трансформатора 3, сглаживающий конденсатор 9 и режекторный LC-фильтр, образованный последовательным соединением катушки индуктивности 10 и конденсатора 11. На выходе упомянутого моста параллельно подключена нагрузка 12. Параллельно сетевому дросселю 4 включены, преимущественно, два добавочных сетевых дросселя 18 и 20. Номинальная индуктивность первого добавочного дросселя 18 ниже номинальной индуктивности сетевого дросселя 4, а номинальная индуктивность второго добавочного дросселя 20 ниже номинальной индуктивности первого добавочного дросселя 4. Перед каждым из параллельно соединенных дросселей 18 и 20 подключен нормально открытый ключ для подключения соответствующего дросселя в цепь нагрузки. Перед первым добавочным дросселем 18 установлен нормально открытый ключ 19. Перед вторым добавочным дросселем 20 установлен нормально открытый ключ 21.

В качестве биполярных транзисторов с изолированным затвором 5-8 по каждому из вариантов преобразователей могут быть использованы, например, силовые IGBT модули типа MBN1200D33, содержащие в общем корпусе биполярный транзистор с изолированным затвором со встречно-параллельно подключенным к нему диодом (каталог продукции фирмы HITACHI).

Четырехквадрантный преобразователь по первому варианту работает следующим образом. Преобразование и регулирование энергии переменного тока, приложенной к зажимам 1 и 2 переменного тока через силовой трансформатор 3, осуществляется коммутацией силовых полупроводниковых вентилей 5-8 с заданным алгоритмом управления. Падение напряжения на дросселе 4, складываясь с эдс вторичной обмотки трансформатора 3, выпрямляясь и регулируясь вентилями 5-8, поддерживается на параллельно включенном конденсаторе 9 стабильным. Последовательно соединенные дроссель 10 и конденсатор 11, образующие LC-фильтр второй гармоники выпрямленного тока (режекторный фильтр), включены параллельно нагрузке 12. При токе нагрузки ниже номинального значения рост падения напряжения на дросселе 4 пропорционален изменению тока нагрузки. При токе нагрузки свыше номинального значения индуктивность дросселя снижается, а соответственно снижается и падение напряжения на дросселе. В этот момент подключают первый дополнительный дроссель 14 ключом 13, чем увеличивают входную индуктивность. При этом избыточное падение напряжения, в случае его появления, компенсируют изменением модуляции напряжения вентилями 5-8. При дальнейшем росте нагрузки подключают второй дополнительный сетевой дроссель 16 ключом 15 и падение напряжения на входной индуктивности соответственно увеличивается. Как и в первом случае, избыточное падение напряжения, при его наличии, компенсируют изменением модуляции напряжения вентилями 5-8 до момента достижения заданного значения.

Четырехквадрантный преобразователь по второму варианту работает следующим образом. Преобразование и регулирование энергии переменного тока, приложенной к зажимам 1 и 2 переменного тока через понижающий трансформатор 3, осуществляется коммутацией силовых полупроводниковых вентилей 5-8 по заданному способу управления. Запуск преобразователя с малых нагрузок начинают с подключенным вторым дополнительным сетевым дросселем 20, имеющим наименьшую индуктивность в сравнении с остальными дросселями 4 и 18. Подключение дросселя 20 выполняют замыканием ключа 21. Напряжение на входе преобразователя, равное сумме падения напряжения на дросселе 20, и эдс вторичной обмотки трансформатора 3, после выпрямления вентилями 5-8, поддерживаются на параллельно включенном конденсаторе 9 стабильными. Последовательно соединенные дроссель 10 и конденсатор 11, образующие LC-фильтр второй гармоники выпрямленного тока, включены параллельно нагрузке 12. При токе нагрузки ниже номинального значения рост падения напряжения на дросселе 20 пропорционален изменению тока нагрузки. При токе нагрузки свыше номинального значения индуктивность дросселя 20 снижается, а соответственно снижается и падение напряжения на дросселе 20. В этот момент подключают первый дополнительный дроссель 18 ключом 19, а сетевой дроссель 20 отключают ключом 21, чем увеличивают входную индуктивность. При этом избыточное падение напряжения на индуктивности входной цепи, в случае его появления, компенсируют изменением модуляции напряжения вентилями 5-8. При дальнейшем росте нагрузки подключают основной сетевой дроссель 4 ключом 17 и падение напряжения на индуктивности входной цепи соответственно увеличивается. Как и в первом случае, избыточное падение напряжения, при его наличии, компенсируют изменением модуляции напряжения вентилями 5-8 до момента достижения заданного значения.

На фиг.5 представлена осциллограмма, подтверждающая приемлемый уровень длительности переходных процессов при коммутации дросселей с изменением нагрузки, справедливые для обоих вариантов преобразователей.

Запуск преобразователя и работа с малыми нагрузками осуществляются с одним работающим дросселем, имеющим наименьшую из всех дросселей индуктивность. Остальные дроссели отключены соответствующими ключами. При работе с нагрузкой, превышающей максимально возможное падение напряжения на сетевом дросселе, по причине недостаточности индуктивности при возросшем токе (момент времени К1 на диаграмме фиг.4), подключают дополнительный дроссель замыканием соответствующего ключа. При этом падение напряжения на индуктивности входной цепи будет больше заданного (пунктирная линия), и на участке работы между подключением первого и второго дополнительных дросселей К1-К2 применяют дополнительную модуляцию входного напряжения, равную U_LЗАД - заданное значение падения напряжения на входной индуктивности; U_LФ - фактическое значение падения напряжения на входной индуктивности. В точке К2 суммарная индуктивность входной цепи равна заданной, а далее с ростом тока нагрузки она снова недостаточна, и, следовательно, подключают еще один (второй) дополнительный дроссель замыканием ключа. Падение напряжения U_LФ превысит заданное и на участке К2- I_MAX. Следовательно, необходимо применение дополнительной модуляции для ликвидации избыточного напряжения μU_d на входе четырехквадрантного преобразователя. При этом значение падения напряжения на индуктивности входной цепи при изменении тока нагрузки будет изменяться практически линейно и монотонно (фиг.5), что упростит контроль и регулирование сетевого тока и выходного напряжения U_d преобразователя.

1. Четырехквадрантный преобразователь, содержащий однофазный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к зажимам переменного тока, а зажимы вторичной обмотки подключены в диагональ управляемого полупроводникового моста, образованного силовыми полупроводниковыми приборами, предпочтительно биполярными транзисторами с изолированным затвором, дроссель, подключенный к одному из зажимов вторичной обмотки, сглаживающий конденсатор и режекторный LC-фильтр, образованный последовательным соединением катушки индуктивности и конденсатора, на выходе упомянутого моста параллельно подключена нагрузка, отличающийся тем, что последовательно с сетевым дросселем установлено два добавочных сетевых дросселя, номинальная индуктивность первого из которых не превышает номинальной индуктивности сетевого дросселя, а номинальная индуктивность второго добавочного дросселя, не превышает номинальной индуктивности первого добавочного дросселя, при этом суммарная индуктивность всех дросселей при максимальном токе имеет значение не ниже максимальной индуктивности сетевого дросселя, кроме того, между основным сетевым дросселем и первым дополнительным сетевым дросселем подключена нормально открытая контактная группа двухполюсного двухпозиционного переключателя, нормально закрытая контактная группа упомянутого переключателя подключена подвижным контактом к выходу основного сетевого дросселя, а неподвижным контактом к выходу первого дополнительного сетевого дросселя и к подвижному контакту нормально закрытой контактной группы второго двухпозиционного переключателя, у которого нормально открытая контактная группа подключена между дополнительными сетевыми дросселями, а неподвижный контакт нормально закрытой контактной группы подключен между вторым дополнительным сетевым дросселем и полупроводниковым мостом.

2. Четырехквадрантный преобразователь, содержащий однофазный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к зажимам переменного тока, а зажимы вторичной обмотки подключены в диагональ управляемого полупроводникового моста образованного силовыми полупроводниковыми приборами, предпочтительно биполярными транзисторами с изолированным затвором, дроссель, подключенный к одному из зажимов вторичной обмотки, сглаживающий конденсатор и режекторный LC-фильтр на выходе упомянутого моста, параллельно которым подключена нагрузка, отличающийся тем, что параллельно сетевому дросселю включены преимущественно два добавочных сетевых дросселя, номинальная индуктивность одного из которых ниже номинальной индуктивности сетевого дросселя, а номинальная индуктивность второго добавочного дросселя ниже номинальной индуктивности первого добавочного дросселя, причем перед каждым из параллельно соединенных дросселей подключен нормально открытый ключ для подключения соответствующего дросселя в цепь нагрузки.