RU1803956C - Преобразователь посто нного тока в переменный - Google Patents

Description

Фиг. Г

Изобретение относитс  к электротехнике , а именно к силовой преобразовательной технике, и может быть использовано в автономных инверторах тока преобразователей частоты различных промышленных или т говых приводов дл  питани  трехфазных асинхронных двигателей.

Целью изобретени   вл етс  устранение указанного выше недостатка, а именно повышение КПД.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в преобразователе посто нного тока в переменный , содержащем трехфазный мост тиристоров , выводами посто нного тока подключенный ко входным выводам, а выводами переменного тока - к выходным выводам и к выводам переменного тока трехфазного моста диодов, две цепочки попарно согласно последовательно соединенных коммутирующих и распределительных тиристоров, анодами и катодами подключенных к выводам посто нного тока соответственно диодного моста и моста основных тиристоров, коммутирующую LC- цепь, включенную между точками соединени  коммутирующих и распределительных тиристоров, дополнительно вводитс  трехфазный мост вспомогательных тиристоров, встречно параллельно подключенный к мосту диодов, и демпфирующий конденсатор, своими выводами подсоединенный к объединенным выводам посто нного тока трехфазного моста диодов и трехфазного моста вспомогательных тиристоров.

Кроме того, предлагаетс  основные ти- ристоры трехфазного моста выполнить в виде асимметричных тиристоров с обратной проводимостью.

Введение вспомогательного моста и демпфирующего конденсатора, подсоединенных указанным выше образом, позвол ет накапливать энергию коммутации в демпфирующем конденсаторе, выполненном в виде фильтрового конденсатора большой емкости при малых габаритах, в результате чего за одну коммутацию напр жение на конденсаторе повышаетс  не более, чем на 10-15%. Вывод энергии коммутации осуществл етс  с помощью вспомогательных тиристоров с частотой, равной частоте коммутации, вследствие чего максимальный уровень напр жени  на силовых приборах не превышает 10-15% относительно амплитуды линейного напр жени  нагрузки , что позвол ет снизить класс приборов, отказатьс  от их последовательного соединени , обеспечить снижение суммарных потерь в силовых полупроводниковых приборах и повысить КПД устройства

Выполнение основных тиристоров трехфазного моста в виде асимметричных тиристоров, провод щих в обратном направлении , позвол ет создать цепь дл  протекани  избыточного тока коммутирующей цепи через обратные диоды основных асимметричных тиристоров и исключить всплески коммутационных перенапр жений, обеспечить по сравнению с обычными тири0 сторами такой же установленной мощности в несколько раз меньшее схемное врем  выключени , что позвол ет уменьшить установленную мощность коммутирующей LC- цепи, снизить коммутационные потери и,

5 следовательно, также повысить КПД преобразовател .

При анализе известных технических решений было рассмотрено техническое решение Hisao Kubota, Kouki Matsuse and

0 Jong-Ha Ree. Analysis of New Current Source GTO Inverter - Fed Induction Motor Drive. IEEE Transaction on Powev Electronics, vol. pe- 1. №4, octobev 1986, s. 210-214., содержащее признаки, сходные с отличительны5 ми признаками за вл емого объекта изобретени . В указанном известном техническом решении основной мост выполнен на двухоперационных тиристорах, которые могут быть выполнены либо запираемыми

0 по управл ющему электроду (GTO-тиристо- ры), либо в виде обычных тиристоров, снаб- женных индивидуальными узлами принудительной коммутации. Поскольку на сегодн шний день отечественна  промыш5 ленность не выпускает серийно мощные запираемые GTO-тиристоры, а существующие единичные опытные образцы GTO-тиристо- ров не надежны и имеют относительно большую стоимость, известное техническое

0 решение, предполагающее применение шести (по числу основных тиристоров) узлов принудительной коммутации, обладает сложностью. Кроме того, вывод накопленной в демпфирующем конденсаторе энер5 гии осуществл етс  в цепь посто нного тока преобразовател  посредством дополнительного широтно-импульсного преобразовател , выполненного в виде диодов, запираемых тиристоров и вспомогательных

0 дросселей, а затем эта энерги  вновь поступает на вход АИТ дл  преобразовани .

Циркул ци  энергии коммутации через дополнительный широтно-импульсный преобразователь и цепь посто нного тока тири5 сторного преобразовател  обуславливает повышенные потери в известном преобразователе и снижает его КПД. Необходимость в применении вспомогательного преобразующего устройства с собственными узлами принудительной коммутации дл 

запираемых тиристоров также усложн ет преобразователь.

За вл емое техническое решение в отличии от известного обеспечивает запирание тиристоров основного моста с помощью одного узла коммутации и вывод энергии из демпфирующего конденсатора - без применени  вспомогательного преобразующего устройства, что упрощает тиристорный преобразователь , а также обеспечивает вывод энергии коммутации непосредственно в фазы нагрузки, что снижает потери энергии и повышает КПД тиристорного преобразовател .

Таким образом, поскольку признаки известного технического решени  и сходные с ними отличительные признаки за вл емого технического решени  обладают различными свойствами, за вл емый объект изобретени  отвечает критерию существенные Отличи .

На фиг. 1 приведены схемные варианты реализации преобразовател ; на фиг. 2 - шременные диаграммы, по сн ющие его ра- фоту.

Согласно фиг. 1 предлагаемое устройство содержит источник регулируемого посто- Янного тока, выполненный в виде последовательно соединенных источника регулируемого напр жени  1 и сглаживающего реактора 2, к выходу которого подсоединен вход трехфазного инверторного оста основных тиристоров 3-8, выходом подсоединенный к трехфазной нагрузке 9 (например, асинхронному двигателю). К фа- Зам нагрузки подсоединены выводы переменного тока моста вспомогательных Тиристоров 10-15, каждый из которых за- шунтирован обратным диодом, а выводы посто нного тока моста подсоединены к демпфирующему конденсатору 16, выполнен- Н)ому в виде однопол рного фильтрового Конденсатора, и к полумосту коммутирующих тиристоров 17, 18. Полумост распределительных тиристоров 19, 20 подсоединен к положительной и отрицательной шине источника посто нного тока, а коммутирующа  LC-цепь 21, 22 подсоединена между Общими точками соединени  коммутирующих тиристоров 17 и 18 и распределительных - 19 и 20. Устройство снабжено блоком управлени  23, который может быть выполнен в виде задающего генератора (ЗГ) 24, на вход которого подаетс  сигнал задани  выходной частоты Uf, выходом подключенного К запускающему входу фазосдвигающего устройства (ФСУ) 25, на управл ющий вход Цоторого подаетс  сигнал управлени  Uynp, причем выход ФСУ 25 подсоединен ко входу формировател  - распределител  импульсов 26, выходом подключенного через усилители мощности (на чертеже не показано) к управл ющим электродам тиристоров. В качестве источника напр жени  1 может быть применен обычный трехфазный (в случае использовани  устройства в промышленных приводах) или однофазный (в случае использовани  в т говых приводах электроподвижного состава переменного

0 тока) регулируемый выпр мительный или выпр мительно-инверторный преобразователь . При условии использовани  предлагаемого устройства в приводах электроподвижного состава посто нного

5 тока, в качестве источника 1 может быть применен любой из широко известных импульсных преобразователей. Узлы 27, 28 и 29 блока управлени  широко известны и могут быть выполнены согласно (1).

0Согласно временным диаграммам (см. фиг. 2) устройство работает следующим образом .

В соответствии с законом частотного управлени  асинхронным двигателем на

5 блок управлени  23 подаетс  сигнал адан- ной частоты тока статора Uf. ЗГ 24 формирует последовательность импульсов, следующих с шестикратной частотой. По переднему фронту импульсов и24ФСУ25

0 формирует импульсы U25, длительность которых пропорциональна сигналу управлени  Uynp. По заднему фронту импульсов U25 формирователь-распределитель импульсов 26 формирует короткие импульсы

5 включени  коммутирующих и распределительных тиристоров 17-20, формирует шесть последовательностей 120-градусных импульсов, сдвинутых относительно друг друга на 30 эл.град., и распредел ет их на

0 включение основных тиристоров 3-8, а также распредел ет импульсы U25 на включение тиристоров 10-15.

Предположим первоначально коммутирующий конденсатор 22 зар жен со знаком,

5 показанным на фиг. 1 без скобок. На интервале 0-ti проводили тиристоры 3 и 8, ток нагрузки замыкалс  по цепи: 1, 2, 3, а, с, 8, 1. В момент времени ti начинаетс  процесс коммутации тока из фазы а в фазу Ь,

0 дл  чего включаютс  тиристоры 11 и 12. Под действием напр жени  на конденсаторе 16 (конденсатор 16 первоначально зар жен через диоды 10-15 до напр жени , равного не менее амплитуды линейного напр жени 

5 фаз нагрузки 9) по вл етс  и начинает возрастать ток в фазе Ь, а ток нагрузки в фазе а начинает пропорционально снижатьс  по цепи: + 16, 12, Ь, а, 11, - 16. Причем конденсатор 16 частично разр жаетс . В момент времени ta, определ емом длительностью импульса управлени  U25 начинаетс  процесс принудительного выключени  основного тиристора 3, дл  чего подаетс  импульс ка включение коммутирующего ти- ристора 18 и распределительноготиристора 19. Под действием напр жени  зар да коммутирующего конденсатора 22 протекает коммутирующий импульс тока по цепи: +, 22,27, 18, диод 11,3, 19, - 22. В момент достижени  коммутирующим током LC-це- пи 21, 22 тока нагрузки основной тиристор 3 обесточиваетс , а ток нагрузки замыкаетс  по цепи: 1, 2, 19, 22, 21, 18, затем по двум параллельным цеп м (диод 11, а) и (16, 12, Ь), с, 8, 1.

Далее, на интервале восстановлени  запирающих свойств тиристора 3, возможны следующие варианты протекани  процесса.

В случае если основные тиристоры преобразовател  выполнены в виде обычных тиристоров, непровод щих в обратном направлении (см. фиг. 1а), к тиристору 3 в обратном направлении прикладываетс  остаточное напр жение на коммутирующем конденсаторе 22, способству  восстановле- нию запирающих свойств тиристора. При этом конденсатор 22 продолжает перезар жатьс  током нагрузки. Ввиду малой емкости коммутирующего конденсатора длительность процесса его перезар да не велика. Однако, при необходимости большего сокращени  времени перезар да узел коммутации может содержать функционально известные цепи свободного перезар да на тиристорах 27 и 28.

Во втором случае, когда основные тиристоры выполнены в виде асимметричных тиристоров с элементами обратной проводимости, например, шунтированных обратным диодами, коммутирующий ток за- мыкаетс  через элемент обратной проводимости , создава  обратное напр жение на запираемом тиристоре 3 в несколько единиц вольт и способству  восстановлению его запирающих свойств. При этом конден- сатор 22 перезар жаетс  в колебательном режиме и приобретает зар д обратного знака, показанный на фиг. 1 в скобках, в результате чего тиристоры 18 и 19 запираютс .

Одновременно с выключением основного тиристора 3 включаетс  основной тиристор 5. Часть тока нагрузки протекает по цепи фазы Ь: 1,2, 5, Ь, 8, 1. Втора  часть тока, поддерживаема  индуктивным сопро- тивлением фазы а, протекает по цепи: 1, 2, 5 диод 12, 16, диод 11, а, с, 8, 1. Через открытые диоды 11 и 12 напр жение демпфирующего конденсатора 16 продолжает

прикладыватьс  к линейным зажимам фаз а и Ь нагрузки 9, способству  дальнейшему снижению тока в фазе а и повышению - в фазе Ь. Причем ток через конденсатор 16 имеет противоположное направление, в результате чего конденсатор частично зар жаетс , восстанавлива  прежний уровень своего напр жени .

В момент времени т.з протекание тока через фазу а и конденсатор 16 прекращаетс , а ток нагрузки целиком замыкаетс  через фазы Ь и с по цепи: 1, 2, 5, Ь, с, 8, 1.

Далее с момента времени t4 начинаетс  очередной процесс коммутации тока с фазы на фазу, который протекает аналогично описанному выше в соответствии с диаграммами на фиг. 2.

В предлагаемом устройстве также как и в прототипе не требуетс  первоначальный зар д коммутирующего конденсатора от стороннего источника, поскольку при включении преобразовател  и по влении тока нагрузки всегда создаютс  цепи зар да, способствующие самовозбуждению колебательного LC-контура. Например, дл  рассмотренного выше интервала в случае режима начала работы преобразовател  цепь дл  зар да конденсатора 22 от источника 1 создаетс  в момент времени t2 по цепи: 1, 2, 19, 22, 21, 18, диод 15, 8, 1. При дальнейшем повышении тока нагрузки коммутирующа  способность LC-цепи возрастает из-за известного эффекта накачки энергии в LC-контуре спадающим током коммутирующего дроссел  21 в момент окончани  очередного процесса коммутации .

В предлагаемом устройстве демпфирующий конденсатор 16, работающий в режиме частичного зар д-разр да, выполнен в виде однопол рного, т.е. фильтрового конденсатора , обладающего относительно большой емкостью при малых габаритах.

Максимальный уровень напр жени  в предлагаемом преобразователе ограничиваетс  на уровне напр жени  демпфирующего конденсатора Die (см. линейное напр жение Uab на фиг. 2), который может незначительно превышать амплитуду линейного напр жени  Dab, чем обеспечиваетс  рациональное использование установленной мощности силовых полупроводниковых приборов. Изменением длительности импульса LJ25 за счет сигнала Uynp можно регулировать глубину разр да демпфирующего конденсатора в момент коммутации и этим устанавливать на нем требуемый уровень предкоммутационного значени  напр жени .

Снижение коммутационных перенапр жений в предлагаемом устройстве по срав- с устройством-прототипом не менее, чем в два раза, позвол ет снизить класс примен емых силовых полупроводниковых приборов, отказатьс  от применени  последовательного соединени  приборов, в целом уменьшить установленную мощность оборудовани , коммутирующей LC-цепи, защитных RC-цепочек, этим обеспечить уменьшение суммарных основных потерь в полупроводниковых приборах и вспомога- тфльных коммутационных потерь и, следовательно , повысить КПД предлагаемого устройства.

В случае выполнени  основных тири- cfopOB в виде асимметричных с обратной проводимостью значительно снижаетс  об- рЈтное напр жение на запираемом тири- сторе в моменты коммутации (обратное напр жение равно пр мому падению напр жени  на провод щем обратном диоде 1-2 В), что в целом дополнительно снижает уровень коммутационных перенапр жений. Кроме того, асимметричные тиристоры по сравнению с обычным тиристорами имеют в несколько раз меньшее врем  выключени , что позвол ет уменьшить установленную мощность коммутирующих цепей, снизить коммутационные потери и также пфвысить КПД тиристорного преобразовател .

Claims (2)

1. Преобразователь посто нного тока в переменный, содержащий трехфазный мост тиристоров, выводами посто нного тока подключенный к входным выводам, а выводами переменного тока - к выходным выводам и к выводам переменного тока трехфазного моста диодов, две цепочки попарно согласно последовательно соединенных коммутирующих и распределительных тиристоров, анодами и катодами подключенных к выводам посто нного тока соответственно диодного моста и моста основных тиристоров, коммутирующую LC- цепь, включенную между точками соединени  коммутирующих и распределительных тиристоров, отличающийс  тем, что, с целью повышени  КПД, в него дополнительно введены трехфазный мост вспомогательных тиристоров, встречно параллельно подключенный к мосту диодов, и демпфирующий конденсатор, своими выводами подсоединенный к объединенным выводам посто нного тока трехфазного моста диодов и трехфазного моста вспомогательных тиристоров.

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что основные тиристоры трехфазного моста выполнены в виде асимметричных тиристоров с обратной проводимостью .