Тиристорный преобразователь постоянного напряжения в переменное

ио делам изобретеиий и атирьиий(72) Авторы изобретения И.И. Кантер, Н.П, Иитяшин, С.Ф. Стефнов, И.И. Артюхов; и В.И. Лазарев Саратовский политехнический инсти ут(54) ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ 1Изобретение относится к силовойпреобразовательной технике и предназначено для создания источников электропитания цехов на повышенной частоте,Известны преобразователи частоты5с улучшенной формой выходного напряжения, содержащие два тиристорных моста с диодными мостами встречного тока, выводы постоянного тока которых30в обратной полярности соединены свыводами постоянного тока тиристорных мостов и через катодные дроссели соединены с входными зажимамипреобразователя причем выводы лереь35,менного тока диодных мостов соединены через дроссели с выводами переменного -.ока тиристорных мостов, к этимже выводам подключены, выводы первичных обмоток выходного трансформатора,одна иэ которых соединена в звезду,а другая - в треугольник, при этомвыходная обмотка также соединенавзвезду. Такие преобразователи наряду с решением задачи увеличения мощности в единице с)борудования позволяют получить значительное улучшение )1)ормы кривой выходного напряжения Г 13.Недостатком указанных преобразователей является невозможность реализовать симметрию секций преобразователя, что приводит к неравномерному распределению потребляемого тока между мостами и, следовательно, к уменьшению выхорной мощнос)ги преобразователя и ухудшению качества выходного напряжения. Известно устройство для преобразования постоянного напряжения в переменное, содержащее в цепи питания две параллельные ветви иэ последовательно соединенных тиристоров, при" чем к положительному входному зажиму подключены общие аноды первых тиристоров, между катодами которых включен конденсатор,а между отрицательными входным зажимом и катодами вторыхтиристоров включены в обратной полярности диоды 21.Недостатком этого устройства является невозможность непосредственного использования его в схеме двухканального регулятора постоянного напряжения. Для использования регулирующей части этого устройства по указанному назначению необходимо ввестиее в схему двухканального регуляторапостоянного напряжения и изменить алгоритм работы, системы управления.Наиболее близким по технической .сущности является схема инвертора, содержащая два трехфазных тиристорныхмос-,а с отсекающими диодами и коммутирующими конденсаторами, при этом вцепь питания тиристорных мостов включены тиристоры и вторичная обмоткавольтодобавочного трансформатора, пер"вичная обмотка которого соединена свыводом дополнительного одиофазногоиивертора, собранного по схеме с отсекающими диодами. К выводам переменного тока трехфазных тиристорных мостов подключены выводы первичных обмоток выходных трансформаторов, вто"ричные обмотки которых включены последовательно. При этом между выходными выводачи вторичных обмоток и нагрузкой включен трехФазный фильтр 3 .Однако распределение мощности между инверторньии мостами с помощьюдвух трансформаторов, вторичные об-,мотки которых соединены последовательно, не является оптимальным с точки зрения массогабаритных, стоимостных и энергетических соображений.Известно, что применение одного транс"форматора вместо двух на суммарнуюмощность выгоднее и дает выигрыш вгабаритах, массе, стоимости и потерях, равный 193,Последовательное соединение вторичных обмоток трансформаторов решаетпроблему равномерной загрузки тирис"торов мостов по току в тси случае,когда отсутствуют цепи, включенныепараллельно первичным обмоткам трансформаторов через отсекающие диоды.На относительно низких частотах, когда время, в течение которого конденсаторы .подключены к трансформатору,мало по сравнению с шестой частью периода (интервалом)р оба моста загружены равномерно. С ростом частоты время перезаряда конденсаторов становит"ся сравнимьщ с указанным интервалом..При этом возникает разбаланс токов,потребляемых мостами от источника постоянного напряжения, определяемыймежФазным и межмостовым разбалансомконденсаторных батарей, несимметри"ей управленим, различием динамическихи статических характеристик тиристоровТаким образом, рассматриваемая схема обеспечивает равномерное распределение нагрузки лищь в ограниченномчастотном диапазоне.Кроме того, последовательное включение вторичных обмоток в рассматриваемом инверторе приводит к тому, что прерывание тока в одной из фаз в одном мосте влечет прерывание тока в соответствующей фазе другого моста. Действительно, прерывание тока некоторой фазы (имеющее место .в схеме с2 Вотсекающими диодами на каждом интервале)озиачаетр что соответствующаяфаза трансформатора работает в режиме холостого хода и сопротивление еевторичной обмотки велико. Но эта обмотка включена последовательно со,вторичной обмоткой соответствующейфазы другого трансформатора, Такимобразом, значительное сопротивлениевносится в первичную цепь другоготрансформатора, что равносильно прерыванию тока в соответствующей фазе.С учетом различного способа подключения первичных обмоток трансформатора это ведет к искажению кривой вы"ходного напряжения, генерируемой каж"дым из мостоь и, следовательно, кухудшению результирующей кривой и увеличению масса-габаритных показателейвыходного Фильтра,К такому же результату приводит и4 О возникновение прерывистого режима вцели источника питания при работе иивертдра в разгрузочном режиме при относительно малой величине реакторав цели источника питания. Таким обра 4 зом, расширеа 4 е диапазона мощносткв рассматриваемой схеме требует увеличения массы и габаритов предлагае"мых реакторов,Наличие последовательных элементовв выходных фильтрах, последовательное включение вторичных обмото.; приводит к смягчению внешней характеристики, являющейся к тому же частотозависиМойеы При этом минимальное значениесис, темы регулирования напряжения питания, выполненное по схеме вольтодобавки, может состояться, по крайней866671 6, мере, в компенсации нестабильностинапряжения входной сети. Если принятьсуществующий допуск в расчете на этунестабильность (+103-153), то длявеличины вальтодобавки принимают следующую оценку,При максимальном напряжении сетивходное напряжение схемы равноОян Здесь О 11 - выпрялн напряжение прн номинальном напряжениисети. При минимальном напряжении сети входное напряжение равно 0,85 04.Таким образом, требуемая величинавольтодобавки, компенсирующая уменьшение напряжения сети составит0,25 Ои . По отношению к номинальномузначению напряжения питания инвертора(1,1 О) это составляет около 2 ЭХ.Так как вторичная обмотка трансформатора вольтодобавки пропускает весьпотребляемый схемой ток, то типоваямощность этого трансформатора не может составлять меньше, чем 237. от мощности выходного трансформатора, Учетнесинусоидальности напряжения. характерного для схемы применяемого дополнительного инвертора, повышает ве-,личину мощности дополнительного трансформатора,Рассматриваемая схема сложна. Онасодержит значительное количество вентилей, конденсаторов и три трансформатора.Способ включения трансформаторовисключает использование одного мостав автономном режиме на половиннуюмощность в тех случаях, когда этовозможно (при пониженной нагрузке)или необходимо (авария во втором мосте), так как большинство потребителей требуют Фиксированной величинынапряжения питания, в то время какмощность определяется величиной тока.Цель изобретения - улучшение массогабаритных показателей устройства иего упрощение.Поставленная цель достигается тем,что тиристорнь 1 й преобразователь постоянного напряжения,в переменное(содержащий два трехфазных тиристориыхмоста, каждый с вентильным мостом обратного тока и, по крайней мере, стремя коммутирующими конденсаторами,соединенными в треугольнике, вершиныкоторого связаны с выходными выводами соответствующего моста, а такжеимпульсный регулятор постоянного напряжения, через фильтр подключенныйк выводам постоянного тока тиристорКроме того, узел компенсации низ-кочастотных колебаний питающего напряжения содержит два Формирователя и.1 пульсов, регулируемый мультивибра-.тор, датчик колебаний питающего напряжения, вход которого включен параллельно входным выводам преобразо вателя, а выход соединен с управляющим входом регулируемого мультивибратора, причем выходы последнего через формирователи импульсов соединены с .управляющими входами проходных тирис" 45 торов, аноды которых образуют общуюточку.При этси блок равномерного делениятоков между мостами стабилизации выходного напряжения содержит дза датчика тока, включенные в цепи питания тиристорных мостов, два сумматора, первдй иэ которых входами соединен с выходами датчиков тока, три усилителя, два из которых выходами подключены к управляющим. входам генераторов пилообразного напряжения (ГПН),а также нуль-орган, причем выход сумматора соединен с неинвертирующим входом одного усилителя и с инвертирующим 5 0 15 20 25 30 ных,и вентильных мостов, причем выход одного тиристорного моста подключен к первичной обмотке трансформатора, соединенной в звезду, а выход другого тиристорного моста - кпервичной обмотке; трансформатора,соединенной в треугольник, снабженузлом компенсации низкочастотных колебаний в питающем напряжении и блоком равномерного деления тока междуупомянутыми мостами и стабилизациивыходного напряжения, указанные первичные обмотки трансформатора выполнены на общем магнитопроводе, верши"ны треугольников конденсаторов подключены к выходам тириторных мостов непосредственно, а выводы переменного тока вентнльных мостов через введенные дроссели, При этом импульсный регулятор постоянного напря.жения выполнен двухканальным, причем каждый канал регулятора выполнен в виде двух последовательно соединенных проходных тиристоров, между точками соединения разноименныхсиловых электродов которых включенкоммутирующий конденсатоР, а выходыканалов регулятора, зашунтированныевентилями, через 1.С-Фильтры, подключены к шинам постоянного тока соответствующих тиристорных и вентильныхмостов,входом другого усилителя, запускающие входы упомянутых ГПН соединены через блоки задержки с выходами регулируемого мультивибратора, а входы - со входами нуль-органов, другие входы ко- .5 торыхподключены к выходу третьего усилителя, входом соединенного со вторым сумматором, входами подключенным к введенным источнику опорного напояжения и датчику выходного напряж".ния, О который своим вхопом подсоединен к выходным выводам преобразователя, а выходы нуль-органов через Формирователи импульсов подключены к управляющим входам проходных тиристоров, катоды которых соединены с .С-Фильтрами.На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого преобразователя частоты.26Преобразователь частоты содержит два трехфазных тиристорных моста 1 и 2 с диоднымн мостами. 3 и 4 обратного тока.Выводы переменного тока диодных мостов 3 и 4 соединены через дроссели 5 и 6 с выводами переменного тока тиристорных мостов 1 и 2, соединенные также с коммутирующими конденсаторами 7 и 8 и с первичными обмотками 9 и 10 выходного трансформатора 1. Вторичная обмотка 12 выходного трансформатора соединена в звезду и подключена ко входным выводам преобразователя. Положительные выводы постоянного то" ка тиристорных мостови 2 соединены с выводами постоянного тока диодныхмостов 3 и 4 и через .С-фильтры 13 и 14 и проходные тиристоры 15 и 16 подключей ко входным выводам преобра 40 зователя. Отрицательные выводы диодных мостов 3 и 4 подключены к другому входному выводу преобразователя, причем между точками проходных тиристоров 15 и 16., объединяющих раз 45 ноименные силовые элементы, включен коммутирующий конденсатор 17, а входы Ы-Фильтров 13 и 14 зашунтированы диодами 18 и 19 в обратной голярности. К выходным выводам преобразова- , теля подключен датчик 20 выходного напряжения, выходом соединенный с одним из входов сумматора 21, другой вход которого соединен с источником 22 порогового напряжения, а выод схемы 21 сравнения, через усилитель 23 55 соединен с входами двух нуль-органов 24 и 25, выходы которого соединены через формирователи 26 и 27 импульсов с управляющими входами проходных тиристоров 15 и 6, Катоды последних соединены с .С-фильтрами 3 и 14, Вторые входы нуль-органов 26 и 27 соединены с выходамн ГПН 28 и 29, управляющие входы которых через усилители 30 и 31 соединены с выходом сумматора 32, входами соединенного с выходами датчиков 33 и 34 тока, которые включены в цепь питания тнристорных мостови 2, Запускающие входы ГПН 28 и 29 соединены через блоки 35 и 36 задержки с выходами обоих плеч регулируемого мультивибратора 37, которые подключены через формирователи 38 и 39 импульсов к управляющим входам проходных тиристоров 5 и 16, соединенных анодами с входным выводом преобразователя. Управляющий вход мультнвнбратора 37 соединен с выходом датчика пульсаций входного напряжения 40, подключенного ко входным выводам преобразователя.Преобразователь работает следующим образом.При подаче на входные зажимы напряжения, например, от неуправляемого выпрямителя на выходе датчика пульсаций выходного напряжения 40 появляется сигнал, который поступает на управляющий вход регулируемого мультивибратора 37 и изменяет его частоту. С увеличением (уменьшением) амплитуды входного напряжения увеличивается (уменьшается) частота мультивибратопа 37. Частота работы мультивибратора выбирается в пределах 600-1000 Гц из условия обеспечения заданного быстродействия и уменьшения параметров .С-фильтров. Выходные сигналы с обоих плеч мультивибратора 37, пройдя Формирователи 38 и 39 импульсов поступают на управляющие входы проходных тиристоров 15 и 16, аноды которых соединены вместе. Одновременно выходные сигналы мультивибратора через блоки 35 и Зб задержки соединены с запускающими входами ГПН 28 и 29, Время задержки устанавливается при йастройке преобразователя. При изменении частоты мультивибратора 37 и постоянной задержке, определяемой блоками 36 и 37 изменяется скважность работы проходных тиристоров 15 и 16 с частотой ,низкочастотной составляющей входного напряжения, что приводит к компенсации указанной пульсации.866671 20 и реакторов в силовой части схемы.Эна осуществляет компенсацию частиизбыточной реактивной мощности кон"деисаторной батареи, высвобождающей-,ся при разгрузке преобразователя.Тем самым внешняя характеристика инверторной части преобразователя приобретает минимально требуемую жестВ системе стабилизации выходного напряжения использован вертикальн,й принцип управления. Сигнал с датчика 20 выходного напряжения после суммирования его на сумматоре 21 с сиг% налом опорного источника 22 и усиления усилителем 23 в виде постоянного . напряжения .поступает на входы нуль- органов 24 и 25. На .другие входы этих нуль-органов поступают сигналы с Г 1 Н 28 и 29. Выходные сигналы нуль-органов 24 и 25 после прохождения формирователей 26 и 27 импульсов поступают на управляющие входы проходных тиристоров 15 и 16, катоды которых . соединены с 1.С-фильтрами. Подача питающего напряжения на соответствующий тиристорный мостили 2 происходит при одновременном включении проходных тиристоров 15 или 16. По" дача импульса управления на первый проходной тиристор, например 15, приводит к выключению тиристоров 16. Задержкой подачи импульсов управления на второй проходной тиристор осуществляется регулировка среднего значения питающего напряжения тиристорного моста 2.Система равномерного деления тока между мостами работает таким образом,ЗО что в зависимости от разбалансиро вки токов мостов сдвигается начало формирования пилообразного напряжения в ГПН 28 и 29, ч 1 о приводит к перераспределению средних значений питающих напряжений тиристорных мостов и выравниванию токов, потребляемых мостами. Сигналы с датчиков 33 и 34 токов поступают на сумматор 32 и далее на неинвертирующий вход усилителя 30 и на инвертирующий вход уси- ф лителя 31. С выхода указанных усилителей 30 и 31 сигналы поступают на управляидцие входы ГПН 28 и 29 и осуществляют сдвиг начала формирования пилообразных напряжений в ту или дру ф гую сторону. Тем самым ГПН исполь" зуется и для стабилизации выходного1напряжения, и для равномерного деления тока между мостами, что позволяет сделать систему управления очень 50 ксипактнойПредлагаемое устройство наиболее целесообразно применять в качестве источника питания групповой двигатель ной нагрузки на повышенных частотах, ы так как оио удовлетворяет следующим требованиям:. значительная мощность в единице оборудования, высокое ка 10чество кривой выходного напряжения, стабильность величины выходного напряжения при изменении напряжения питающей сети в широком диапазоне нагрузки (от номинальной загрузки дохолостого хода преобразователя),удобство перехода на новую выходную частоту, простота ремонта и обслуживания. Высокое качество кривой выходного напряжения обеспечивается путеМ геометрического сложения в трансформаторе магнитных потоков, наводимыхвыходными токами тирнсторных мостов,а также благодаря внутренней фильтрации за счет включения коммутирующей батареи параллельно обмоткамтрансформатора. При этом внутреннейфильтрации подвергаются лишь гармоники с номерами 11 и выше, так какработа системы равномерного распределения потребляемых токов обеспечивает практически полное уничтожениепятой и седьмой гармоник при геометрическом сложении магнитных потоков. Улучшение кривой выходного напряжения достигается без применения дополнительных выходных фильтров (не считая конденсаторов 7 и 8) и импульсной модуляции, Благодаря этому кривая выходного напряжения имеет коэффициент несинусоидальности, не превышающий 5-7 в широком диапазоне частоты и нагрузки (без изменения силовой схемы) при высоком КПД всего преобразователя.Система равномерного распределения токов между мостами обеспечивает увеличение мощности в единице оборудования без применения параллельного(последовательного) включения вентилей, прн котором проблема распределения токов (напряжения) возникает длякаждой группы параллельно (последовательно) включенных вентилей, Устройство обладает жесткой внеа ней характеристикой, обеспечиваемой двойной системой стабилизации выходного напряжения. Первая подсистемареализована с помощью обратных диодов66671 Формула изобретения кость, обеспечивающую защиту вентилейинвертора от перенапряжени 1.Система компенсации реактивноймощности является быстродействующей,так как силовые импульсы в цепяхдросселей и диодов, осуществляющиеперезаряд коммутирующих конденсаторов, формируются и прерываются в течение времени, меньшего одной шестой части периода,Вторая подсистема включает в себявнешнюю систему управления, регуляторпостоянного напряжения и фильтр ипоэтому уступает ро быстродействиюпервой подсистеме, Однако она предназначена (помимо выравнивания токов)для обеспечения повышенной жесткостивнешней характеристики. Так как частьжесткости обеспечивается первой подсистемой, то скважность импульсов на-пряжения на выходе регулятора приабсолютно жесткой характеристике преобразователя ограничена снизу 0,55 О,б (при допуске на напряжения питающей сети +107, -153 и 307. нестабильности внешней характеристики инвертора), что уменьшает .установленнуюмощность фильтра,Способ подключения двух мостов кнагрузке дает возможность использования одного лз мостов на половиннуюнагрузку при отключении второго моста(например, с целью ремонта или обслуживания),1, Тиристорный преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий два трехфазных тиристорных моста, каждый с вентильным мостом об-, ратного тока и, по крайней мере, с тремя коммутирующими конденсаторами, соединенными в треугольнике, вершины которого связаны с выходными выводами соответствующего моста, а также импульсный регулятор постоянного напряжения, через фильтр подключенный к выводам постоянного тока тиристорных и вентильных мостов, причем вь- ход одного тиристорного моста подключен к первичной обмотке трансформа тора, соединенной в звезду, а выход другого тиристорного моста - к первичной обмотке трансформатора, соединенной в треугольник, о т л и ч а ющ к й с я тем, что,. с целью улучшения массотабаритных показателей и 12упрощения, он снабжен узлом компенсации низкочастотных колебаний в питающем напряжении и блоком равнсиерного деления тока между упомянутымимостами и стаьилизации выходного напряжения, указанные первичные обмотки трансформатора выполнены на общеммагнитопроводе, вершины треугольников конденсаторов подключены к выхо дам тиристорных мостов непосредственно, а к выводам переменного токавентильных мостов - через введенныедроссели, импульсный регулятор постоянного напряжения выполнен двухканальным, каждый его канал выполненв виде двух последовательно соединенных проходных тиристоров, междуточками соединения разноименных силовых электродов которых включен коммутирующий конденсатор, а выходы каналов регулятора, зашунтированные вентилями через С-фильтры, подключенык выводам постоянного тока соответствующих тиристорных и вентильных 25 мостовФ2. Преобразователь по и. 1, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что узелкомпенсации низкочастотных колебанийпитающего напряжения содержит дваформирователя импульсов, регулируемый мультивибратор, датчик колебанийпитающего напряжения, вход котороговключен параллельно входным выводампреобразователя, а выход соединенс управляющим входом регулируемогомультивибратора, причем выходы последнего ч рез формирователи импульсов соединены с управляющими входами проходных тиристоров, аноды которых образуют общую точку.463, Преобразователь по пп . 1 и 2,о т л и ч а ю щ ий с я тем, чтоблок равномерного деления токов между мостами и стабилизации выходногонапряжения содержит два датчика тока, 43включенные в цепи питания тиристорных мостов, два сумматора, первый изкоторых входами соединен с выходами датчиков тока, три усилителя, дваиз которых выходами подключены к управляющим входам генераторов пилообразного напряжения(ГПН),а также нуль=органы, причем выход сумматора сое" динен с неиивертирующим входом одного усилителя и с инвертирующим входом другого усилителя, запускающиевходы упомянутых ГПН соединены с выходами регулируемого иультивибратора, а выходы - со входами нуль-орга13 866671 нов, другие входы которых подключены к выходу третьего усилителя, в:;одом соединенного со вторым сумматором, входами;подключенным к введен-;ным источнику опорного напряжения идатчику выходного напряжения, оторый своим входом подсоединен к выходным выводам преобразователя авыходы куль-органов через формирователи импульсов подключены к управляющим входам проходных тиристоров, катоды которых .соединены с .С"Фильтрамие 4Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Применение ЭВИ для анализа ипроектирования вентильных преобразователей. Тезисы докладов научно-тех"нического семинара. Саратов, 1977,с. 13, р,1,2. Авторское свидетельство СССРУ 54381, кл. Н 02 М 7/505, 976.3. Повывение эффективности устройств преобразовательной техники.Киев 1 Наукова думка", ч, 4, 1973,с. 168.733 Подписно ПН "Патент", г.ужгород,у ИИП Фил Заказ 8094/77 866671 ектная, 4