Преобразователь постоянного напряже-ния b переменное

 

Союз Советских

Социалистических

Реслублик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВКДЕТИЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 2009.79 (21) 2818284/24-07 (51) М. КЛ, Н 02 M 7/515 с присоединением заявки Нов (23) Приоритет

Государственный комитет ссср по делам изобретений и открытий

Опубликовано1506.81 Бюллетень Н9 22

Дата опубликования описания 150681 (S3) УДК 621 З14.. 572 (088. 8) (72) Авторь1 изобретения

М.Б. Позин и М.О. Григорян

1

> (71) Заявитель (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПР Я)КЕНИЯ

В ПЕРЕМЕННОЕ

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано, например в устройствах энергетики и электропривода.

Известен преобразователь, в котором для эапирания силовых вентилей используются коммутирующие узлы, содержащие коммутирующие конденсаторы, дроссели и тиристоры. Каждый коммутирующий узел предназначен для запирания соответствующего силового вентиля (lj.

Недостатком такого преобразователя является сложность и невысокий КпД, так как эапирание силовых 15 вентилей производится при токах и напряжениях на элементах коммутирующего узла, превышающих ток и напряжение на.нагрузке.

Наиболее близким по технической 20 сущности к предложенному является преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий преобразовательные ячейки с силовыми вентилями и трансформатор тока, первичная обмотка которого включена последовательно в выходную цепь переменного тока преобразователя, а вторичные обмотки связаны с силовыми вентилями (2)Ä . Ä 30

Однако такой преобразователь сложен. и не обладает хорошими массогабаритными показателями, так как в нем имеются дополнительные трансформаторы, используемые для запирания тиристоров.

Цель изобретения — улучшение массогабаритных показателей, КПД и надежности преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий неполностью управляемые силовые вентили и трансформатор тока, первичная обмотка которого включена последовательно в выходную цепь переменного тока преобразователя, снабжен полностью управляемыми вентилями по числу силовых вентилей, трансформатор тока выполнен со вторичными обмотками по числу силовых вентилей, связанными через упомянутые полностью управляемые вентили с силовыми вентилями, а параллельно одной из обмоток подключен дополнительный двуполярный полностью управляемый вентиль.

Двухполярный вентиль подключен ,параллельно дополнительной повышаю. . 1цей обмотке трансформатора тока и

8 38967 выполнен, например ламповым, либо параллельно первичной обмотке и выполнен, например, транзисторным.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема однофазного мостового преобразователя с включением лампового двуполярного ключа параллельно отдельной повышающей обмотке трансформатора тока1 на фиг, 2 — диаграммы работы преВ образователя; на фиг. 3 — принципи- альная электрическая схема однофаэного мостового преобразователя с включением транзисторногс двуполярного ключа параллельно первичной обмотке трансформатора тока; на фиг. 4 — варианты выполнения транзисторного двуполярного ключа.

Преобразователь (фиг. 1) выполнен на силовых тиристорах 1-4, зашунтированных обратными диодами

5-8, Трансформатор 9 тока имеет первичную обмотку 10 и вторичные обмотки 11-15. Первичная обмотка

10 включена в цепь переменного тока преобразователя. Ыторичные обмотки

12 — 15 включены в контуры запирания тиристоров 1-4 через однополярные полностью управляемые вентили, состоящие из электровакуумных ламп

16-19, работающих в импульсном режиме, и диодов 20-27. Параллельно вторичной обмотке 11 включен двуполярный .вентиль, состоящий из электровакуумной лампы 28 и моста на диодах 29 — 32. На выходе преобразователя включен дроссель 33 и фильтр 34 высших гармоник . Ко входу преобразователя подключен источник постоянного напряжения, Запирание тиристора 1 осуществляется следующим образом.

Управляющее напряжение тиристора

1 (фиг. 2 в) непрерывно в отмеченном интервале времени или имеет в этом интервале вид коротких импульсов достаточно высокой частоты. После снятия управляющего напряжения с этого тиристора подается управляющее напряжение на лампу 16 (фиг. 2 ж) и снимается управляющее напряжение с лампы 28 (фиг. 2 л) в течение интервала времени, необходимого для гарантированного запирания тиристора 1 при низком обратном напряжении (0,9-1,5 d), 1 àê как ток через обмотку 10 трансформатора 9 тока определяется нагрузкой преобразователя или входным сопротивлением фильтра 34 и в этот момент не изменяется, то обрыв тока в обмотке 11 вызывает появление тока в одной из половин обмотки 12, так как в этом инвервале лампа 16 открыта управляющим напряжением, а лампы 17-19 заперты. 1 oê половины обмотки 12 протекает через диод 20 (или диод. 21), диод 5 и открытую лампу 16. При

30 этом, если ампервитки обмотки 11 трансформатора 9 тока практически равны ампервиткам обмотки 10, то ампервитки проводящей ток половины обмотки 12 практически равны ампервиткам обмотки 10. Отношение числа витков половины обмотки 12 (а также половины обмоток 13 — 1Б) к числу витков обмотки 10 выбираЕтся несколько меньше 1 (порядка

0,95-0,75). Поэтому ток проводящей половины обмотки 12 всегда больше (на 5-25%) выходного токопреобразователя, протекающего через тиристор 1 или диод 5 при любом направлении и при любой величине этого тока. Таким образом, через диод 5 протекает в прямом направлении ток выключения (ток гроводящей половины обмотки 12), и встречно или согласно ему протекает выходной ток (в зависимости от направления этого тока). Через диод 5 протекает разность или сумма тока выключения и выходного тока. Так как ток выключения всегда больше выходного тока, то эта величина всегда положительна, и ток через диод 5 протекает в прямом направлении. Тиристор 1 запирается обратным напряжением, приложенным к нему от открытого диода 5 (0,9 — 1,5 B).

После запирания тиристора 1 снимается управляющее напряжение с лампы 16 (фиг. 2ж), подается управляющее напряжение на лампу 28 то при отсутствии дросселя 33 и при холостом ходе преобразователя через тиристоры 1 — 4 и обратные диоды 5 — 8 протекают ToJ„ üêo токи утечки этих вентилей. Так как при этом ток через первичную обмотку 10 не протекает, отсутствует ток в обмотке 11 и при запирании лампы

28 и отпирании ламп 16-19 отсутствуют токи выключения тиристоров.

При этом из-за разброса токов утечки тиристоров 1-4 и диодов 5-8 и близости их к токам удержания тиристоров, особенно при высоких температурах окружающей средь1, коммутации тиристоров на холостом ходу преобразователя может быть неустойчивой. Чтобы исключить это, следует параллельно выходу преобразователя включить небольшой дроссель 33, максимальное значение тока через который в момент коммутации должно

55 бО

65 (фиг. 2 л) и на тиристор 2 (фиг.2 г), Выходной ток преобразов ател я переходит с тиристора 1 (диода 5) на тиристор 2 (диод 6) . Аналогично происходит запирание других тиристоров преобразователя (фиг. 2 r, д, 40 е, з, и, к) . На фиг. 2 а, б даны выходные ток и напряжения преобразователя.

Если в преобразователе отсутствует выходной фильтр 34 (фиг. 1), 838967

30

5$

65 в 10-15 раз превышать максимальный суммарный ток утечки тиристора и диода (фиг. 2 м — масштаб тока сильно увеличен), что достаточно для надежной коммутации тиристоров преобразователя на холостом ходу °

Высокий КПД преобразователя обусловлен малыми потерями мощности в вентилях и в трансформаторе тока. При входных напряжениях преобразователя до нескольких киловольт, выходных мощностях н десятки и сотни киловольтампер и частоте выходного напряжения 50-60 Гц КПД преобразователя превышает 96%. При этом потери мощности в тиристорах 1-4 и диодах

5-8 не превышают нескольких десятых процента от выходной мощности преобразователя даже с учетом последовательного соединения нескольких тиристоров или диодов, так как падение йапряжения на открытом тиристоре не превышает 1,5 — 1,8 В, на диоде — 0,9-1,5 В. Падение напряжения на открытых импульсных лампах 16-19 может составлять до нескольких сотен вольт,т.е. до 10% от входного напряжения преобразователя, однако с учетом того, что скважность работы лампы велика, потери мощности в лампах 16 — 19 не превышает 0,8-1,0% оТ выходной мощности преобразователя с учетом потерь мощности также в сеточных цепях и цепях накала ламп, H3 — за отсутствия конденсаторнодроссельной системы коммутации выходного фильтра и выходных трансформаторов масса и габариты преобразователя относительно невелики (определяются массой и габаритами вентилей, трансформатора тока и системы управления).

Повышение надежности преобразователя обусловлено относительно малым числом элементов как в самом иннерторе, так и в системе управления им.

В преобразователе (фиг. 1) значительная -часть потерь мощности имеет место в трансформаторе 9 тока и н лампе 28. При выходных токах преобразователя до нескольких десятков ампер, с целью существенного уменьшения этих потерь, повышения

КПД преобразователя и уменьшения его массы и габаритов, двуполярный ключ включен параллельно первичной обмотке трансформатора и выполнен транзисторным (фиг. 3). Двуполярный ключ (фиг. 3), состоящий из транзистора 35 и моста на диодах 36-39, включен параллельно первичной обмотке 40 трансформатора 41 тока.

При этом в течение времени, когда транзистор 35 открыт, выходной ток преобразователя проходит через мост на диодах 36-39 и открытый транзистор 35. 1 ак как падение напряжения на открытом ключе (на открытом транзисторе и двух диодах) порядка нескольких нольт, то из-за индуктивности первичной обмотки 40 ток через нее практически не протекает (ток в десятки или сотни раз меньше выходного тока преобразователя). В течение интервала времени, когда транзистор 35 заперт, а открыта одна из ламп 42-45, через первичную обмотку 40 протекает выходной ток преобразователя, а через половину соответствующей вторичной обмотки 46-49 трансформатора 41 тока протекает противоток, н 1,05-1,25 раза больший выходного тока (определяется тем,что число витков первичной обмотки 40 в 1,05-1,25 раза большЕ числа витков полонин вторичных обмоток 46-49). Так как за это время (50-200 мкс) поток в магнитопроноде трансформатора 41 не успевает заметно возрасти (практически остается равным нулю), то ток соответствующей полонины вторичной обмотки 46-49 на

5-25% больше выходного тока преобразователя. При этом напряжение на обмотке 40 и на запертом транзисторе

35 практически в 1,05-1,25 раза больше напряжения на открытой лампе

42-45.

Так как через обмотки трансформатора 41 токи протекают только в течение коротких инвервалоз времени, а не в течение практически всего периода, как через обмотки. 10 и 11 трансформатора 9 тока в преобразователе (фиг. 1), то существенно

:уменьшаются потери мощности н трансформаторе 41 тока, его масса и габариты. Хотя через двуполярный ключ н преобразователе (фиг. 3) протекает весь выходной ток пре— образователя, а не H 10-20. раз меньший, как в преобразователе (фиг. 1), падение напряжения на открытом транзисторе 35 и двух диодах моста

36-39 значительно меньше,(4-6 В), чем на открытой лампе 28 (до нескольких сотен вольт), поэтому потери . мощности в днуполярном ключе в преобразователе (фиг. 3) даже меньше, чем н этом ключе н преобразователе (фиг. 1). При входных напряжениях преобразователя до 700-800 В и выходных токах до нескольких ампер н преобразователе (фиг. 3) вместо ламп 42-45 можно использовать высоковольтные транзисторы. Хотя у этих транзисторов в открытом состоянии остаточное коллекторное напряжение при больших токах значительно (б10 В) и требуется значительный базовый ток для их открытия (0,2-0 5 от коллекторного тока), однако потери мощности в них значительно меньше, чем в лампах 42-45, и при скважности работы больше сотни зти транзисторы ) 838967

Формула и з о бр ет ени я

Вх0д йогут работать практически без радиаторов.

При входных напряжениях преобразователя (фиг. 3) до 50-100 B c целью повышения КПД двуполярный ключ может быть выполнен по схеме (фиг.4 а или 4 б). В ключе (фиг. 4 а) выходной,ток преобразователя проходит через транзистор 50 или 51 и диод

52 или 53, а не через два диода последовательно, как в ключе (фиг.3).

Хотя в ключе два транзистора, на каждом рассеивается половинная мощность. Ключ (фиг. 4 б) проще с точки зрения построения системы управления, однако к запертым трансзисторам прикладывается небольшое обратное напряжение (0,9-1,65 В) от открытого диода в соответствующий полупериод.

Аналогично однофазным мостовым преобразователям (фиг. 1 и фиг.3) могут быть выголнены однофазные полумостовые преобразователи с выводом средней точки источника питания, а также многофазные, в частности трехфазные преобразователи.

При этом для запирания тиристоров каждой вертикальной ветви многофазного преобразователя используется отдельный трансформатор тока.

Технико-экономическая эффективность предложенного изобретения обусловлена существенным уменьшением массы и габаритов предлагаемого преобразователя по сравнению с существующими, более высоким его

КПД и повышением его надежности за счет меньшего количества элементов как в самом преобразователе, так и в системе управления им.

1. Преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий неполностью управляемые силовые вентили и трансформатор тока, первичная обмотка которого включена последовательно в выходную цепь переменного, тока преобразователя, отличающийся тем, О что, с целью улучшения массо-габаритных показ.ателей КПЦ и надежности он снабжен полностью управляемыми вентилями по числу силовых .вентилей, трансформатор тока выполне . со вторичными обмотками по числу силовых вентилей, связанными через упомянутые полностью управляемые вентили с силовыми вентилями, а параллельно одной из обмоток подключен дополнительный двуполярный пол2О ностью управляемый вентиль.

2. Преобразователь по и. 1, отличающийся тем, что трансформатор снабжен дополнительной повышающей вторичной обмоткой, а двуполярный вентиль подключен параллельно этой обмотке.

3. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем,, что двуполярный вентиль подключен параллельно пеРвичной обмотке трансформатора тока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Справочник по преобразова тельной технике. Киев, Техника, 1979, с. 152, рис. 3.57.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке М 2663436,кл.Н 02 М 5/42, 14.09.78.

8389б7

Каскетке мй

Заказ 44б9/87

Тираж 730 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель А. Сытин

РЕДактоР М. Хома ТехРеД E.Кастелеви КоРРектоР Г. Решетник