Преобразователь постоянного напряжения

О П И С А Н И Е 359875ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Соеетских Социалистических РеспубликК ПАТЕНТУ Зависимый от патентаЗаявлено 20.Х 1,1968 ( 1283923,24-7) М. Кл. Н 02 пт 5/42 Н 02 тп 7/722,20.Х 1.1967,128826,4 22.Х,1968,170840,пп. 1 пп, 3 ПриорФра Фра етияи омитет по дела аоеретений н открытияпри Совете МинистровСССР тДК 621,314.57(08, Бюллетень35 публикован бликования описания 9197 Дата о Авто нзоо 1гент Иностранец ен, Жак Эрмье и Мишель Жорж(Франция) Иностранная фирма Ля Телемеканик Электрикн Лалан ьер Ша т аявитель ОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕН Известны преобразователи постоянного напряжения, содержащие тиристорный блэк реверса тока нагрузки, например, в виде однофазного или многофазного инвертора с обратными диодами и узел коммутации, состоящий, по крайней мере, из одното конденсатора и двух тиристоров, общая точка 1 котгорыхсоединена с одной из обкладок конденсатора,подключаемый к источнику постоянного токачерез последовательный дроссель, Однако в 10таких преобразователях напряжение источника в момент разряда конденсатора узла коммутации прикладьрвается к зажимам последовательной индуктивности на входе, что приводит к увеличению тока отбираемого от источника и циркулирующего,в основных тиристорах, Этот увеличезрный ток прибавляется кразрядному току конденсатора. Таким образом, величина тока, просоодящего через тиристоры преобразователя в момент запирания, 20больше чем в два раза превышает величинутока, циркулировавщего до команды запирания в тиристорах, литающих нагрузку. Длязапирания этих тиристоров конденсатор должен подавать соответственно повьршенную 25энергию, что ограничивает разрывную мощность преобразователя,Цель изобретения - повышение надежности в работе преобразователя, Это достигается тем, что в предлагаецом преобразователе 30 дроссель состоит, по крайней мере, из двух частей, соединенных пОследовательно, а другая обкладка конденсатора гальванически ,связана с общими очками соединения частей.При выполнении узла коммутации в виде тиристорного моста, в одну из диавоналей которого включенапоследовательная т-С - цепочка, последняя соединена с обкладкой котгдепсатора, подключаемой к эбщей точке соедииения двух тиристоров моста.Преобразователь содержит две вапомогательные инду ктивности, величина которых меньше индуктивнтзсти полуобмотки дрооселя, Через одну индуктивность дрэссель подключается к источнику питания, а через другую - к узлу коммутации.При вьвполнении дросселя из трех частей средняя часть шунтирована двумя последова; тельно соединенными элементами односторонней проводимости, общая точка соединения которых подключена к конденсатору.1-1 а фнг. 1 представлен один из вариантов вьрполнения предлагаемого преобразователя, питающего якорь электродвигателя птостоянного тэка; на фиг, 2 и 3 - примеры выпол. пения узла коммутации преобразователя; на фиг, 4 - другой вариант выполнения преобразователя, питающего якорь электродвивателя постоянного тока; на фиг. 5 - схема преобразователя, питающето электродвига3тель переменного тока;,на фиг. 6-8 - варианты выполнения узла коммутации преобраза.вателя, питающего нагрузки, требующие больших изменений напряжения.Преобразователь состоит из,инвертора 1 на тиристорах и узла коммутации 2 для запирания этих тиристоров. Узел коммутации содержит два тиристора д и 4, включенных последовательно между двумя точками 5 и б так, что анод тиристора 8 соединен с точкой 5, а катод тиристора 4 - с точкой б, причем катод тиристора 3 соединен с анодом тиристора 4 в точке 7, Точка 5 соединена с положительным полюсом источника 8 постоянного напрядения через индуктивность 9, между зажимами 10 и 11 которой может быть включен шунтирующий диод 12, а точка б непосредственно связана с отрицательным полюсом источника. Катушечка индуктивности 9 снабжена промежуточным выводом И, расположенным приблизителыно в середине и связанным с точкой 7 через конденсагор 14. Точное положение вывода 13 мажино определить при помощи уравнений для различных переходных процессов в контурах, содержащих конденсатор.Инвертор 1 связанный с узлом коммутации в точках 5 и б, питает якорь 15 электродвигателя постоянного тока. Якорь включен в диагональ моста 1 б - 17, состоящего из тиристоров 18 - 21. Аноды тиристоров 18 и 19 соединены с точкой 5, а катоды тиристоров 20 и 21 - с точкой б. К зажимам каждого из тиристоров 18 - 21 подключены встречно-параллельно диоды 22 - 25. Такой преобразователь предназначен для питания якоря 15 импульсами, амплитуда к длительность которых управляет величиной среднего значения тока, циркулирующего в якоре, и, следовательно, скоростью вращения электродвигателя. Длительность импульсов зависит от продолжительности периодав проводимости и запирания тиристоров, питающих якорь. Тиристары 18 и 21 управляют электродвигателем постоянного тока в одйом направлении, а тиристоры 19 и 20 - в другом направлении,. Запирание этих тиристоров производится совместным действием конденсатора 14 и индуктивности 9. Для этого индуктивность 9 выполнена на общем магнитапроводе и ее две обмотки магнитосвязаны, образуя автотрансформатор. Если вывод 13 расположен приблизительно в середине индуктивности 9, то коэффициент трансформации первичной и вторичной обмоток равеи единице.Котда тиристоры инвертора 1 заперты, а тиристор 4 открыт, конденсатор 14 заряжается от источника,постоянного напряжения до величины, ограниченной напряжением источника вследствие наличия диодов 12 и 22 - 25. Тиристор 4 запирается, как только заряд конденсатора 14 прекращаемсякогда напряжение на его зажимах становится равным напряжению источника 8.4Когда тиристоры 18 и 21 открыты, через якорь 15 от источника 8;проходит ток 1,. Если необходимо запереть тиристоры 18 и 21 (или 19 и 20), то отпирают тиристор 3. При этом конденсатор 14 разряжается на обмютку, расположенную между выводом 18 и зажимом 11 катушки индуктивности 9, вследствие чего на зажимах индуктивности появляетется встречное напряжение, изолирующее якорь 15 от источника 8. Это вторичное напряжение вызывает появление периодического тока ь противоположного по направлению току 1 который замыкается на источнвк 8, ,представляющий малый импеданц для переменного тока благодаря наличию конденсаторов фильтров, подключенных к источнику (на чертеже не показаны). Кроме топо, в индуктивности 9 появляется,наматничивающий ток 1 того же направления, что и ток 1 О. Поэтому ток , проходящий черкез тиристары инв,ертора 1 развеи- 1 о+ 1 т где с - нарастающая функция тока, конден 25 сатира 14, 1 - убывающая функция тока индуктивности 9, Таким образам, емкость конденсатора 14 и индуктввность 9 мажино выбрать такими, чтобы ток с стал равным нулюили отрицательной величине. Тиристоры 18 и30 21 запираются, если ток с равен нулю илиимеет отрицательное значение в течение промежутка времени, превышающего время ихзапирания, т. е. если постояиная времени контура, состоящая из индуктивнасти 9 и,кон 35 денсатора 14, такова, что продолжительностьпервого полупериода тока, подаваемого этимконтуром, больше времени запирания, Когдаток г становится отрицательным диод включенный в обратном направлении на зажимы40 соответствующего тиристора инвертора, становиться проводящим и вызывает при этом появление небольшого обратного напряжениязапирания, равного падению прямого напряжения на проводящем диоде.45 Если тиристары 18 и 21 снова открыты, вякоре 15 опять появляется ток 1 о, Кроме того,когда тиристор 4 также открыт, конденсатор14 снова заряжается через обмотку, расположенную между зажимом 10 и выводам И ин 50 дуктивнасти 9, благодаря чему,на зажимахиндуктивности возникает встречное напряжение, изолирующее нагрузку от источника 8.Это встречное напряжение вызывает появлелие в обмотке, расположенной между выво 55 дом 13 и зажимом 11, периодического токапротивоположного току 1 который замыкается диодами 22 - 25. Ток , проходящийчерез тиристоры, равен1=1,+1 - К60Так как токии 1 опять являются соответствекно нарастающей функцией тока конденсатора 14 и убьнвающей функцией гока индуктивнасти 9, то открытые тиристары инвер 65 тора 1 могут бытыснова закрыты.5Поскольку токи 1, , и 1 зависят от индуктивности утечки автотрансформатора (ин. дуктивности 9), индуктивности монтажа и эквивалентного сопротивления различных элементов, в частности диодов 22 - 25, то время переключения преобразователя завносит от этих же элементов. Для устранения этого по обе стороны катушки индуктивности 9 и последовательно с ней подсоединены две одинаковые индуктивности 2 б (см. фиг, 2), величина которых меньше индуктивности 9, причем эта величина настолько мала, что не оказывает влияния на конфигурацию контура.Усилив токи 1 и 1, можно облепчить запирание тиристоров инвертора путем выбора для автотрансформатора 9 коэффициента трансформации больше единицы. Для этого автотрансформатор 9 (см. фиг. 3) может быть снабжен двумя промежуточными, выводами 27 и 28. Между этими выводами имеются л витков, а между, каждым выводом и соответствующим концом 29 или 30 катушки - л, витков (л)л). Выводы 27 и 28 соединены между собой через тиристары 31 и 32, включенные,последовательно так, что их аиоды обращены к положительному полюсу источника. Общая точка тиристоров 31 и 32 соединена с конденсатором 14. Тиристор 31 отпирается одновременно с тиристором 4, а тиристор 32 - с тиристором 3,Таккм образомво время заряда конденсатора 14 его зарядный ток проходит,по цепи; + источника - индуктивность 2 б - вывод 27 - тиристор 31 - конденсатор 14 - тири- стор 4 --источника. При этом величина токаувеличивается на коэффициенти, + и,и,Аналогично, во время разряда конденсатора разрядный ток проходит по цепи: конденсатор 14 - тиристор 32 - вывод 28 - конец ЗО ,катушки - индуктивность 2 б - тиристор 3 - конденсатор 14 и коэффи 1 циент трансформации также равени, + и,и,Узел коммутации с одним конденсатором действует так, что при каждом переключении, колебательный контур, состоящий из индуктивности 9 и конденсатора 14, выполняет две функции, Первая функция заключается в изоляции питаемой нагрузки от источника питания, что устраняет вредные явления, которые мотут возникнуть при коротком замыкании диодов 22 - 25, а вторая - в запирании открытых тиристоров, В некоторых случаях эти функции могут быть разделены либо из схемных соображений, либо для питания натрузк,и.Преобразователь (см. фиг. 4) оодержит мост нз тиристоров 33 - Зб, включенных так, что аноды тиристоров 33 и 34 соединены в точечке 5, а катоды тиристоров 35 и Зб - в точбке б, причем катоды тиристоров 33 и 34 соединены с анодами тиристоров 35 и Зб соответственно в точках 7 и 37. Диагональ 5 - б мо,ста включена параллельно источнику 8 по 5 стояного напряжения, причем точка, 5 соединена с + через индуктивность 9, междузажимами 10 и 11 которой включен обратныйдиод 12, а точка б непосредственно связана с-источника. Катушка индуктивности 910 снабжена промежуточным выводом 13, связанным с точкой 7 через конденсатор 14, а вдиагональ 7 - 37 моста включен 1 последова;тельный колебателыный контур, содержащийконденсатор 38 и индуктивность 39.15 При подаче управляющего ицпулыса наэлектроды управления тиристоров ЗЗ и Збдля того, чтобы сделать эти тиристоры проводящими, конденсатор 38 заряжается от источника 8 так, что его обкладка приобретает20 положительный потенциал относительно точки 7. После того, как конденсатор 38 зарядится, эти тиристоры запираются,Когда тиристоры 18 и 21 открыты, черезобмотку якоря 15 от точки 1 б к точке 17 про 25 холодит ток 1. Если для запирания этих тиристоров отпереть тиристоры 34 и 35, то конденсатор 38 разряжается через диоды 24, 22и 25, 23, Цепи 22 - 24 и 25 - 23 образуют короткое замыкание между точками 5 и б, По 30 скольку тиристоры 34 и 35 продолжают оставаться проводящими и цепь тока 1, проходящего через якорь 15, замыкается, с однойстороны, через вклю 1 ченные обратные диоды23 и 22, а с другой стороны, через диоды 2435 и 25, через диоды 22 и 25 в прямком направлении проходит разрядный ток конденсатора38 и, на зажимах индуктивности 9 появляетсянапряжение У, Таким образом, мтновенныйток, поступающий от истоини 1 ка, увеличивает 40 ся на некоторую величину Л 1, которая можетбыть ограничена лишь при большом значении пндуктивности 9. Поэтому источник 8продолжает подавать в обмотку якоря 15 ток1+Л 1, который добавляется к току 1, уже45 проходящему через нее. Вследствие этогоконденсатор 38 должен давать ток, превышающий величину 21+Л 1 для того, чтобы напряжения на зажимах диодов 22 и 25 былидостаточны для запирания тиристоров 18 и50 21,Разрывная мошность известного преюбразователя ограничена, так как необходимо разрьгвать ток, фактике,ски ра,вный 21+Л вместотока 1. Кроме того, для ограничения нара 55 стания Л 1 индуктивность 9 дюлжна бытьвесьма большой (несколько милливенри). Однако индуктивность для тока питания включена последовательно с обмоткой якоря 15,поэтому она уменьшает силу тока, проходя 60 щего через эту обмотку, причем тем сильнее,чем меныпе постоянная времени индуктивнойнагрузки.Предлагаемый преобразователь позволяетвыбрать для индуктивности 9 пораздо мень 65 ную величину, так как можно, задавшись зна 3598757чением индуктивности 9 и учитывая величину емкости конденсатора 14, вычислить частоту собственных колебаний цепи, соответствующую заряду конденсатора 14 от сети и его разряду через цепь тиристора 33. Величины индуктивности. 9 и емкости конденсатора 14 подбирают такими, чтобы полупериюд собственных колебаний цепи индуктивность 9 - конденсатор 14 имел длительность, почти равную длительности, периода цели конденсатор 38 - индуктивность 39, которая несколько больше, чем время задирания тиристоров.Когда тиристоры 34 и 35 проводят, конденсатюр 14 заряжаепся от источника 8 через тиристор 35 так, что его обкладка, соединенная с выводом И, становиться положительной., Вследствие этого, в инлуктивности 9 возиикает электродвижущая сила, которая уничтожает или даже делает отрвцательцым ток, проходящий через обмотку, подключенную между выводом И и зажимом 11. Таким образом, индуктивная нагрузка состоящая, например, из обмоток электродвигателя, отказывается изолированной от источника 8, и ток протекающий через тиристоры 18 и 21, который необходимо прервать, сохраняет величину 1. Кроме того., когда тиристоры 33 и Зб становятся проводящими, конденсатор 14 разряжается через обмотку, включенную между взводом 13 и зажимом 11, вследствие чего мгновенно исчезает ток в обмотке, включенной между зажимом 10 и выводом И, и источник изолируется от нагрузки во время разряда кюнденсатора 14. В то же время конденсатор 38 перезаряжается от источника 8, и последовательный колебательный контур, состоящий из конденсатора 38 и индуктивности 39, мажет быть снова заперт. При каждом перезаряде конденсатора 38 тиристоры 33 и Зб остаются проводящими.На фиг. 5 представлен преобразователь, у которого нагрузкой являются, например, четыре обмотки 40 - 43 электродвигателя переменногю тока, причем число обмоток не ограничено, Обмотки 40 - 43 включены по кольцевой схеме. Общая тачка обмоток 40 - 43 соединена, с одной стороны, с точкой 5 через тиристор 18, шунтированный днодом 22, и, с другой стюроны, с точкой б через тиристор 44, шунтированный диодом 45. Кроме того, общие точки обмоток 40 - 43 соответственно соединены, с одной стороны, с точкой 5 через тиристоры 19, 44 и 4 б, шунтированные диодами 23, 45 и 47, и, с другой стороны, с точкой б через тиристоры 48, 21 и 20, шунтированные диодами 49, 25 и 24. Обмоч"ки должны периодически питаться током сначала одного направления, а затем другого. Если тиристоры 18 и 21 открыты, то через обмотки 40 и, 41 прохюдят одинаковые токи, а через обмотки 42 и 43 - противопюлоино направленные токи,Узел коммутации с конденсатором 14 при-, меняется лишь в том случае, если он иополь зуется со стабильным источником напряже 8ция постоянного тока, и не может быть использюван, если напряжение постоянного тока сильно колеблется, когда, например, нагрузка инвертора 1 состоит из обмоток син хроцного или асинхронного элеКтродвигателя,скорость вращения которого регулируется в широких пределах путем изменения частоты литающего напряжения. В этом случае напряжение источника 8 должно понижаться 10 цри уменьшении частоты во избежание насыщения железа электродвигателя.Таким образом, напряжение может изменяться в диалазоне 1: 20, и:при этом ток остается постоянным, если электродвигатель 15 работает с постоянным моментом вращения,Изменение напряжения обеспечивается путем воздействия на источник питания, кюторым может, например, служить управляемый выпрямитель.20 Ток запирания тиристоров пропорционаленнапряжению питания К поэтому тирисчоры узла коммутации, а также диоды инвертора должны быть рассчитаны на пропускание токов при максимальном питающем напряже нии. Для этого узел коммутации (см.фиг. 6 - 8) содержит одинаковый набор схемных элементов из ицдурстивностей 9 ц 2 б, конденсатора 14, тиристорож 3 и 4 и диода 12, питаемый от истючника 8, и мост с тиристо рами 33 - Зб, одна диагональ которого п 1 итается от источника напряжения 50, а, другая диагональ содержит, пю крайней мере один конденсатор 38. Мост из тиристоров 33 - Зб включен между тиристорами 3 и 4 и зажима ми 5 и б. Анод тиристора 33 соединен с анодом тиристара 34, а катод тиристора 35 с катодом тиристора Зб. Катоды тиристоров ЗЗ и 34 соответственно соединены с анодами тиристоров 35 и Зб. Общая точка катодов тири сторов 35 и Зб оселицена с общим отрицательньгм полюсом источников 50 и 8, а общая точка анордов тиристоров 33 и 34 соединена, с одной стороны, с точкой 5 через диод 51, открытый для источника 8, и, с другой 45 стороны, с положительным полюсом источника 50 через индуктивность 52 и диод 53, открытый для источника 50. Общие чочки тиристорюв ЗЗ и 35 и тиристоров 34 и Зб связаны через последовательный колебательцый 50 контур, солержаший конденсатор 38 и инлуктивность 39, Диоды 51 и 53 ;предотвращают возможлость разряда источников 8 и 50 одного на другой.Если, например, отпираются тиристоры 33 55 и Зб для переключения тока в нагрузке 15при помощи последовательного колебательно,го контура 38 39, то тиристор 4 также отлтирается. Таким образом, зарял конденсатора 14 вызывает появление напряжепня, кото рое прерывает тюк через обмотку, подключенную между выволом И и зажимом 11, что изолирует нагрузку от источника 8.Аналогично, при следующем переключениитиристоры УЗ и Зб (или 34 и 35) становятся 65 проводящими одновременно с тиристором 35 10 15 и разряд конденсатора 14 снова изолирует нагрузку от источника 8,Моменты отпирания тиристоров д 3 и 36 (или 34 и 35) и тиристаров 3 или 4, а также постоянньте времени иолвбателыньтх контуров 9- 14 и 38 - 39 должньт быть выбраньт так чтобы нагрузка 15 вполне надежно изолировалась при каждом переклтачении. Кромке того, необходимо обеспечить такую,постояннуто времени последователыного колебательного контура 38 - 39, чтобы первый полупериод тока, отдаваемопо этим контуром, имел длителыттость, превышающую время запирания тиристоров 18 - 21, Поэтому цепочку, состоящую из индуктивностей 2 б и 9 и, конденсатора 14 выбирают так, чтобы полупериод собственной частоты был равен периоду цепи 38 - 39.В узле коммутации (см. фиг. 6) индуктивность 52 ограничивает нарастание тока, поступающепо от источника 50, когда колебательный контур 38 - 39 переключает тиристоры инвертора 1 и, следовательно, имеет на своих зажимах нулевое напряжение.Если нагрузка 15 потребляет большой ток и частота переключений высока, индуктивность 52 может сильно задерживать заряд контура 38 - 39. Во избежание этого (см. ф 1 иг. 7) индуктивность 52 и диод 53 могут быть соответственно заменены индуктивностью 54 небольшой величины (в частном случае равной нулю) и тиристором 55, причем конденсатор 56 выключен параллельно мосту из тиристоров. Тиристор 55 запускается лишь по окончании переключения колебателыттого контура 38 - 39, причем конденсатор 38 перезаряжа ется до,напряжения источника 50, что компенсирует потери, возникающие при каждом переключении. Колебателыньтй контур 54 - 56 позволяет уменьшить изменения напряжения, подаваемого на зажимы тиристора 55 во .время переключения, пооколыку это изменение могло бы вызвать,несвоевременное отпирание этого тиристора.В узле коммутации (см. фиг. 8) индуктивность 39 не находится в диаттонали моста из тиристоров, а включена между катодом диода 51 и аиодами тиристоров 33 и 34. Конденсатор бб включен параллельно индуктивпости 39 и мосту, Такая схема узла коммутации уменьшает колебания напряжения на зажимах тиристоро,в моста. 20 25 30 35 40 45 50 Таким образом, при помощи предлатаемого преобразователя можно питать любое электрическое устройство, содержащее одну или несколыко обмоток, в частности инверторы для электродвигателей различных типов. Кроме того, преобразователь нозволяет уменьшить энергию, необходимую для переключений при периодическом прерьтвании тока, в то время как допустимая частота переключений увеличивается. В этих условиях можно регулировать среднее значение тока, проходящего через каждую обмотку, прерывая напряжеттие питания. Предмет изобретения 1. Преобразователь постоянного напряжения, содержащий тиристорный блок реверса ток нагрузки, например, в виде однофазного или многофазнаго инвертора с обратными диодами и узел коммутации, состоящий, по крайней мере, из одного конденсатора и двух тиристоров, обещая точка которых соединена с одной из обкладок конденсатора, подклочаемый к источнику:постоянного тока через последовательный дроссель, отличающийся тем, что, с целью повьтшения надежности, дроссель состоит, по крайней мере, из двух частей, соединенньтх последовательно, а другая обкладка конденсатора гальванически связанна с общими точечками соединения частей.2. Преобразователь пто п. 1, отличающийся тем, что при выполнении узла коммутации в виде тиристорнаго моста, в одну из диагона,- лей которого включена птоследователыная 1 С - цепочка, последняя соединена с обкладкой конденсатора, подключенной к общей точке соединения двух тирисюров моста.3. Преобразователь,по п, 1, отличающийся тем, что он содержит две вспомагагелыньте индуктнвнасти, величина которых меныше нндуктивности полуабмотки дросселя, причем через одну из них дросоель подключается к источнику питания, а через другупо - к узлу кохтмутации.4, Преобразователь по п, 1, отличающийся тем, что при вьпполнении дросселя из трех частей средняя часть шунтирована двумя птоследовательно соединенными элементами односторонней проводимости, общая точка соединения которых подключена к конденсатору.359875 Составитель Г Вотчицев иронова Корректор Г, Запорож Те Пейсочен дак аказ 4241/ б ЦНИИПИ КомитетИзд.1769 Тираж 40делам изобретений и открытий приМосква, Ж, Раушская аб., д. 4/5 Типография, пр. Сапунова Подписно вете Министров ССС