Преобразовательное устройство

(22) Заявлено 01.06.76(с присоединением заявки ре(23)Приоритет 648 6/24-0 юаудлрстввннын номвтет СССР оо делам иэоорвтоннй и открытой(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Изобретение относится к силовой преобразовательной технике-статистическим преобразователям частоты со звеном постоянного тока, предназначенным для питания различных потребителей электричес 3 кой энергии, например, вентильных двигателей.Известны преобразовательные устройства (ПУ) с групповой коммутацией вентилей, выполненные на основе инверторанапряженка.В устройстве в качестве групп индивидуальных коммутирующих вентилей использованы управляемые вентили, что удорожает устройство.15Наиболее близким к предложенному является ПУ, основные вентили которого соединены по мостовой схеме и запираются диодами, объединенными в две группы, анодную и катодную. 20Общие точки названных групп диодов с помощью коммутирующих (групповых) вентилей соединены каждая со своим дио дом, подключенным к соответствующему выводу источника питания (ИП) постоянного тока, на входе основных вентилей ПУ, Каждый из конденсаторов подключен к одному из выводов ИП. Заряд и перезаряд конденсаторов производится от дополнительного ИП.Недостатком этого ПУ является недостаточно эффективное использование коммутирующих конденсаторов и обязательное использование дополнительного ИП для заряда и перезаряда конденсаторов,. аделью изобретения является снижение массы и габаритов ПУ за счет улучще.ния использования коммутирующих конденсаторов, улучшения использования основных управляемых вентилей ПУ и устранения отдельного ИП для заряда конденсаторов. Это достигается путем подключения анода одного из групповых коммутирующих вентилей к катоду другого и подкл.очения к этой же точке одного из вывоцов коммутирующего конденсатора, другой вывод которого подключен к отводу в звене постоянного тока, или к средней точкевели пне начальному, подается отпирающий импульс на вентиль 4, и он проводит ток фазы А нагрузки. (Отйирающийимпульс на вентиль 3 подается в этотже момент или раньше, при У.=О. Теперь ток проводят вентили 2, 3, 4. Положительный заряд на левой обкладкеконденсатора и он готов к следующейкоммутации на этот раз вентиля 2. Величина напряжения конденсатора зависитот добротности колебательного контураи величины тока нагрузки,Дальнейшая работа ПУ происходит аналогичноЮля уменьшении потерь энергии в контуре коммутации при высокой частотекоммутаций и ограничения напряжения наконденсаторе может быть использованизвестный прием по выводу избыточнойэнергии токоограничивающего элемента20 Пля этого он выполняется с вторичной обмоткой при минимальном рассеянии, Эта обмотка через вентиль подключается к ИП фиг. 2.При индуктивном характере нагрузкидолжны быть включены или диоды 9, 10или тиристор 17 ПУ. В первом случаенет ограничений по величине соур нагрузки поскольку нескомпенсированная "избыточная энергия магнитных полей нагрузки обратными диодами отдается ИП. Вовтором же случае эта энергия не возвращается ИП, а расходуется в нагрузке,Напряжение ПУ должно быть разрывным(как при широтно-импульсном регулировании) и относительная продолжительностьинтервала времени с нулевым значениемнапряжения должна быть тем больше, чемниже соЧ) нагрузки. Управление основными вентилями ПУ в этом случае производится в функции тока нагрузки, каждый из этих вентилей отпирается лишьпосле спада до нуля тока преш идущейполуволны и восстановления вентильныхсвойств вентиля 17,При отсутствии требований по рекуперации энергии нагрузки с сохранениемзнака напряжения ИП схема с вентилем17 предпочтительна, поскольку обеспечивает более высокое использование вентилей. Вентили 11-17 разгружают основные вентили по току тем больше, чемниже сову.На фиг. 3 схематически представленаработа с вентилем 17. Нагрузка симметрична с отстающимсаир =0,7 в системеустановился стационарный периодический,процесс и ток проводят вентили 1, 2, 3. зо 35 40 45 5 О 55 3 696584 питающего ПУ трансформатора. Число коммутирующих конденсаторов уменьшено до одногоПутем соединения общих точек упомянутых групп диодов управляемых венти лемотпираемым после каждого переэаряда коммутирующего конденсатора, а также за счет того, что.конденсатор периодически отключается групповыми коммутирующими ведтилями от ИП. На нем 1 о удерживается напряжение отличное от напряжения выводов ИП, к которым он подключен.ПУ может быть однофазным и многофазным.15На фиг. 1-3 приведены варианты схем ПУ: 1-6 основные вентили, 7, 8-групповые коммутирующие вентили, 9, 10- групповые "обратные" диоды 11-16-инаивидуальные коммутирующие диоды, 17- вспомогательный вентиль, 18-трансформатор, питающий ПУ, 19- источник коммутирующего напряжения (ИКН), 20 - токоограничивающий элемент (дроссель)25 21-ИП, например, выпрямитель с выходным фильтром или без него, 22- нагрузка, 23, 24 - групповые коммутирующие диоды, 25-27 потенциальные диаграммывнешних выводов ПУ по отношению ксредней точке ИП, 28 - кривая линейного напряжения, А, В, С - зажимы нагрузки.В качестве ИКП может использоваться конденсатор, колебательная цепь или какое аибо другое устройство, способное подавать энакопеременное напряжение к точкам 0-0,На фиг. 1 схематически представлена работа устройства при отключенных вентилях 9, 10, 17. Нагрузка симметричная ссор й. и в системе установился стационарный периодический процесс. В ис ходный момент времени ток проводят вентили 1, 2, 3, а в ближайший момент коммутации должен быть заперт вентиль 1. В качестве ИКП используется колебательная цепь, содержащая конденсатор С и дроссель, конденсатор заряжен до напряжениями) - и плюсовой заряд на правой его обкладке (Е - напряжение звена постоянного тока).В момент 1 подается отпирающий импульс на вентиль 7, Вентили 1-3 запираются, а конденсатор интенсивно перезаряжает током колебательного контура; образованного емкостью конденсатора и индуктивностью цепи ИП-7-15-20- 2. В момент перезаряда конденсаторадо напряжения, равного по абсолютной35 5 6965 Индуктивность ИКН .О, положительна правая обкладка конденсатора и ц ц)- Я В моментподаетсяотпирающий имонульс на вентиль 7, вентили 1, 3 запираются. Конденсатор С интенсивно пере заряжается как током нагрузки, так и током цепи ИП-7-15-20-2, При перезарядке конденсатора до напряжения, равного по абсолютной величине начальному, подается отпирающий импульс на вентиль 1 7, Ток фазы А нагрузки под действием энергии ее магнитного поля протекает по цепи 12-17-11, а ток фазы В по цепи 12-17-13. При этом вентиль 2 раэгружается на величину тока фазы А. После спада до нуля тока предыдущей полуволны фазы А подается отпирающий импульс на вентили 2 и 3, При этом вентиль 17 обесточивается изапирается ана) вентиль 4 подается отпирающее напряжение на управляющую цепь. К моменту Т ток проводят вентили 2, 3, 4, В момент 1 подается отпирающий импульс на вентиль 8, Вентили 2 и 4 запираются а конденсатор интенсивно перезаряжается.25 При перезарядке конденсатора до требуемого напряжения подается отпирающий импульс на вентиль 17 и с этого момента ток фазы С замыкается по цепи 12-17 ЗО 13 разгружая вентиль 3 и ток фазы А по цепи 14-17-13 разгружая вентиль 4. После спада тока фазы С до нуля отпираются вентили 3 и 4. Вентиль 17 обесточивается и запирается. Вслед за этим отпирается вентиль 5.Дальнейшая работа ПУ происходит аналогично.Пренебрегая высшими гармоническими в кривой тока нагрузки можно установить, 4 что включение вентиля 17 вместо вентилей 9, 10 уменьшает загрузку основных вентилей по среднему току более чем в1 ф со 5 р- раз. При саэр=0,7 это дает выйгрыщ более чем на 20%.45Достоинством схемы является ее простота, высокая степень использования обс- рудования и высокие энергетические показатели. Повышение использования конденсатора обеспечено не только использованием напряжения обоих его полярностей, но и подключением конденсатора к средней точке ИП или делителя напряжения. Расчетным путем установлено, что благодаря тому, что при коммутации напряжение конденсатора складывается с половиной, а не полной величиной напряженияИП, изменено соотношение между временем восстановления вентильных свойств и временем переэаряда конденсатора внаправлении увеличения времени восстановления. Кроме того, конденсатор здесьможет работать при меньшем напряженииперезаряда, что позволяет уменьшить егопотери и установленную мощность. Одновременно в 5-8 раз умейьшена избыточная энергия, накапливаемая в токоограни-,чивающих дросселях при каждой коммутации, Поэтому меры по рассеянию или выводу этой энергии в цепь ИП требуетсяпринимать лищь при высокой частоте.Первоначальный заряд конденсаторапри включении инвертора производитсяпо цепи одного из основных и одного изкоммутирующих вентилей и токоограничивающего дросселя. Например, при включении вентилей 5, 6 одновременно включается и вентиль 8. Заряд конденсаторадоУ ) - производится по цепи 5-20-12 ЕсР 28, поэтому ПУ не требует предварительного заряда конденсатора до включениянагрузки, ПУ надежно работает и на холостом ходу, т.к. кощьенсатор всегда разряжается по цепи токоограничивающегодросселя,При отсутствии отвода от средней точки ИП или делителя напряжения в звенепостоянного тока возможен другой вариантсхемы - фиг, 3, Здесь промежуточныйотвод для подключения ИКН образованобщей шиной цепи из двух вентилей, например диодов 23, 24. Работа схемыаналогична предыдущей, разнятся лишьпараметры. В этом ПУ 3 ц, должно бытьбольше напряжения ИП. Достоинствомданного варианта ПУ является то, чтооно может работать при бесконечно большой добротности колебательного контура,поскольку здесь цепь ИП находится эапределами контура коммутации и потомуизбыточная энергия принципиально не может образовываться в цепи дросселя 20.Переэаряд конденсатора доЦЯ может обеспечиваться индуктивйым током нагрузкиили автономным источником дозаряда.Для первоначального заряда конденсаторапри включении ПУ целесообразно один илиоба вентиля 23, 24. шунтировать токоограничивающими элементами (резисторами), как показано на фиг. 3. Если по ПУтребуется повышенная коммутационнаяспособность, вентили 23, 24 целесообразно шунтировать встречно им включенными управлениями вентилями. В обычныхрежимах они заперты и тока не проводят.При перегрузках же, когда надо увеличить коммутационную способность ПУ наних подаются отпирающие импульсы одновременно с соответствующими им импульсами вентилей 7, 8 ю (Во избежание накопления в этом случае избыточной энерлии в коммутирующих цепях, через то или 5 иное число тактов подачи импульсов на эти дополнительные вентили не производится), Схема наиболее целесообразна при относительно низкой величине напряжения ИП.30Малый уровень коммутационных потерь в предложенном ПУ позволяет использовать при регулировании его напряжения широтно импульсное модулирование (при15 постоянном одновременном запирании вентилей модулирование за счет изменения момента отпирания вентилей 1. В этом случае высокий коэффициент мощности при котором потребляется энергия от сети пе 20 ременного тока при широтно-импульсном регулировании дополняется хорошей формой кривой выходного напряжения.25формул а изобр етения1, Преобразовательное устройство со звеном постоянного тока, содержащее основные управляемые вентили, соединенные по мостовой схеме, токоограничивающие элементы, групповые коммутирующие управляемые вентили, один из зажимов каждого из которых соединен с объединенным зажимом индивидуальных коммутирующих диодов, второй зажим каждого из них соединен с одноименным зажимом одного нз основных управляемых вентилей, и источник коммутирующего напряжения, о т - л и ч а ю щ е е с я тем, что,. с целью снижения массы и габаритов за счет повышения степени использования источника коммутирующего напряжения, вторые зажимы групповых коммутирующих вентилей соединены между собой и с зажимом источника коммутирующего напряжения, второй зажим которого соединен с отводом и звене постоянного тока, например, со средней точкой источника питания2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, отвод выполнен в виде общей шины цейочки из двух последовательно соединенных вентилей, подключенных к звену постоянного тока встречно полярности его напряжения.3. Устройство по и. 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, общие шины индивидуальных коммутирующих групп диодов соединены между собой дополнительным управляемым вентилем.4. Устройство по п. 2, 3, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, по крайней мере один из вентилей цепочки шунтирован токоограничивающим элементом, например, резистором.5, Устройство по и. 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повьпдения его перегрузочной способности, йо крайней мере один из вентилей цепочки шунтирован управляемым .вентилем, включенным встречно по отношению к вентилю,696584 тавитель А, Санталовред Л. Алферова Корректор Г, Назаровг. едактор И. Плышева Заказ 67 130 ал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. П ая,/56 Т НИИПИ Госуд по делам 35, Москва, раж 857ственного комитетаобретений и открытийЖ, Раушсхая наб ПодписноеССРд, 4/5