RU2131638C1

RU2131638C1 - Direct voltage converter

Info

Publication number: RU2131638C1
Application number: RU98112580A
Authority: RU
Inventors: С.И. Вольский; В.И. Чуев
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа "Спецремонт"
Priority date: 1998-07-10
Filing date: 1998-07-10
Publication date: 1999-06-10

Abstract

FIELD: power converters, in particular, for output of given number of output voltage types of different levels. SUBSTANCE: choke of each LC filter has single winding on two U-shaped cores with core marks of different non- magnetic gaps. EFFECT: simplified design for increased range of input voltage levels. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям постоянного высоковольтного напряжения (в частности, 4 кВ) в заданное количество постоянных напряжений различных уровней. The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to converters of high-voltage constant voltage (in particular, 4 kV) to a given number of constant voltage of various levels.

Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий основную и две дополнительные инверторные ячейки, каждая из которых выполнена на двух тиристорах, выходные трансформаторы, подключенные к выпрямителю, и генератор коммутирующих импульсов (см. А. С. СССР N 1705981, кл. H 02 M 3/305, от 29.06.89 г.). A known DC-voltage converter containing the main and two additional inverter cells, each of which is made on two thyristors, output transformers connected to the rectifier, and a switching pulse generator (see A. S. USSR N 1705981, class. H 02 M 3 / 305, dated June 29, 89).

Однако известное устройство не обеспечивает надежную работу полупроводниковых ключевых элементов при высоком входном напряжении, особенно в случае их построения из нескольких последовательно соединенных тиристорных ячеек. However, the known device does not provide reliable operation of semiconductor key elements with a high input voltage, especially if they are built from several series-connected thyristor cells.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является преобразователь постоянного напряжения, содержащий мост, плечи первой стойки которого образованы конденсаторами, одни выводы которых подключены к соответствующим шинам входного напряжения, другие выводы через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора и конденсатора, подключены к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, управляющий вход которого соединен с выходом соответствующего блока формирования сигналов управления, вход которого подключен к одному из парафазных выходов переключающего логического элемента, управляемого от генератора импульсов, к диагонали моста подключена первичная обмотка силового трансформатора, n вторичных обмоток (где n - целое число), каждая из которых подключена через соответствующий выпрямитель и LC-фильтр к выходным шинам (Пат. РФ N 2111604, кл. H 02 M 3/00, от 1997 г.). By technical nature, the closest to the proposed one is a DC-voltage converter containing a bridge, the shoulders of the first rack of which are formed by capacitors, some of the conclusions of which are connected to the corresponding input voltage buses, other conclusions through the bridge diagonal formed by an oscillating circuit from a series-connected reactor and capacitor are connected to the combined conclusions of the shoulders of the second pillar of the bridge, each of which is formed by a semiconductor key element, the control input of which connected to the output of the corresponding control signal generation unit, the input of which is connected to one of the paraphase outputs of the switching logic element controlled by the pulse generator, the primary winding of the power transformer, n secondary windings (where n is an integer), each of which is connected to the diagonal of the bridge connected through an appropriate rectifier and LC filter to the output buses (Pat. RF N 2111604, class. H 02 M 3/00, from 1997).

Недостатком этого известного устройства является сложность электрической схемы из-за использования дополнительной вторичной обмотки, выпрямителя и фильтра. The disadvantage of this known device is the complexity of the electrical circuit due to the use of an additional secondary winding, a rectifier and a filter.

Техническим результатом является упрощение электрической схемы при обеспечении точности поддержания выходных напряжений при широком изменении входного напряжения. The technical result is to simplify the electrical circuit while ensuring the accuracy of maintaining the output voltage with a wide change in input voltage.

Для этого в преобразователе постоянного напряжения, содержащем мост, плечи первой стойки которого образованы конденсаторами, одни выводы которых подключены к соответствующим шинам входного напряжения, другие выводы через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора и конденсатора, подключены к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, управляющий вход которого соединен с выходом соответствующего блока формирования сигналов управления, вход которого подключен к одному из парафазных выходов переключающего логического элемента, управляемого от генератора импульсов, к диагонали моста подключена первичная обмотка силового трансформатора, n вторичных обмоток (где n - целое число), каждая из которых подключена через соответствующий выпрямитель и LC-фильтр к выходным шинам, для увеличения внутреннего сопротивления преобразователя на малых токах нагрузки и исключения превышения выходным напряжением допустимого значения при работе на минимальную нагрузку дроссель каждого LC-фильтра выполнен с одной обмоткой на двух П-образных сердечниках с кернами, имеющих разные немагнитные зазоры X₁ и X₂, причем X₂/X₁=I₂/I₁, где I₂ и I₁ - значения токов насыщения второго и первого П-образных сердечников.For this, in a DC-voltage converter containing a bridge, the shoulders of the first rack of which are formed by capacitors, some of the terminals of which are connected to the corresponding input voltage buses, other conclusions through the diagonal of the bridge, formed by an oscillating circuit from a series-connected reactor and capacitor, are connected to the combined terminals of the shoulders of the second rack bridges, each of which is formed by a semiconductor key element, the control input of which is connected to the output of the corresponding block control signals, the input of which is connected to one of the paraphase outputs of the switching logic element controlled from the pulse generator, the primary winding of the power transformer and n secondary windings (where n is an integer) are connected to the diagonal of the bridge, each of which is connected through the corresponding rectifier and LC -filter to output buses, to increase the internal resistance of the converter at low load currents and to prevent the output voltage from exceeding the permissible value when operating at minimum load the narrow choke of each LC filter is made with one winding on two U-shaped cores with cores having different non-magnetic gaps X ₁ and X ₂ , with X ₂ / X ₁ = I ₂ / I ₁ , where I ₂ and I ₁ are the values saturation currents of the second and first U-shaped cores.

Сущность изобретения заключается в том, что выполнение дросселя фильтра согласно вышеописанному позволяет упростить электрическую схему и при высоком КПД обеспечить точность поддержания выходных напряжений (при широком изменении входного напряжения). The essence of the invention lies in the fact that the implementation of the filter inductor according to the above allows us to simplify the electrical circuit and at high efficiency to ensure the accuracy of maintaining the output voltage (with a wide change in input voltage).

Сравнение предлагаемого преобразователя с ближайшими аналогами позволяет утверждать о соответствии изобретения критерию "новизна", а отсутствие в аналогах отличительных признаков говорит о выполнении критерия "изобретательский уровень". Предварительные испытания позволяют утверждать о возможности широкого промышленного внедрения. Comparison of the proposed converter with the closest analogs allows us to assert that the invention meets the criterion of "novelty", and the absence of distinctive features in the analogues indicates the fulfillment of the criterion of "inventive step". Preliminary tests suggest the possibility of widespread industrial implementation.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - конструкция дросселя. In FIG. 1 shows a circuit diagram of the proposed device, in FIG. 2 - throttle design.

Преобразователь содержит шины 1, 2 входного высоковольтного напряжения, к которым подключены одни выводы конденсаторов 3, 4, образующих плечи первой стойки моста. The converter contains buses 1, 2 of the input high-voltage voltage, to which one leads of the capacitors 3, 4 are connected, which form the shoulders of the first rack of the bridge.

Другие выводы конденсаторов 3, 4 подключены к диагонали моста, образованной колебательным контуром из последовательно соединенных реактора 5 и конденсатора 6, к первому выводу первичной обмотки 7 силового трансформатора 8, вторичные обмотки 9-1. . .9-K которого через выпрямители 10-1...10-K и соответствующие фильтры 11-1...11-K подключены к шинам 12-1...12-K, 13-1... 13-K выходного напряжения. Other outputs of the capacitors 3, 4 are connected to the diagonal of the bridge formed by the oscillating circuit from the series-connected reactor 5 and the capacitor 6, to the first output of the primary winding 7 of the power transformer 8, the secondary windings 9-1. . .9-K which through rectifiers 10-1 ... 10-K and the corresponding filters 11-1 ... 11-K are connected to buses 12-1 ... 12-K, 13-1 ... 13-K output voltage.

Второй вывод первичной обмотки 7 силового трансформатора 8 подключен к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, выполненным в виде последовательно соединенных тиристорных ячеек 14-1...14-N и 15-1...15-N, управляющие входы которых соединены с выходом соответствующего блока 16 или 17 формирования сигналов управления, вход каждого из которых подключен к соответствующему парафазному выходу 18 или 19 многовходового переключающего логического элемента 20. Вход последнего соединен с выходом генератора 21 задающей частоты. The second terminal of the primary winding 7 of the power transformer 8 is connected to the combined terminals of the shoulders of the second pillar of the bridge, each of which is formed by a semiconductor key element made in the form of series-connected thyristor cells 14-1 ... 14-N and 15-1 ... 15- N, the control inputs of which are connected to the output of the corresponding block 16 or 17 of the formation of control signals, the input of each of which is connected to the corresponding paraphase output 18 or 19 of the multi-input switching logic element 20. The input of the latter is connected to the output of the generator 21 of the driving frequency.

Каждый фильтр 11-i содержит конденсатор 22 и дроссель 23. Each filter 11-i contains a capacitor 22 and a choke 23.

Дроссель 23 выполнен с одной обмоткой 24 на двух П-образных сердечниках 25, 26 с кернами 27, 28 таким образом, что образованы разные немагнитные зазоры 29 и 30, величины которых соотносятся согласно формуле X₂/X₁ = I₂/I₁, где I₂ и I₁ - значения токов насыщения второго и первого П-образных сердечников.The inductor 23 is made with one winding 24 on two U-shaped cores 25, 26 with cores 27, 28 so that different non-magnetic gaps 29 and 30 are formed, the values of which are correlated according to the formula X ₂ / X ₁ = I ₂ / I ₁ , where I ₂ and I ₁ are the values of the saturation currents of the second and first U-shaped cores.

Немагнитные зазоры 29, 30 могут быть выполнены путем использования немагнитных прокладок. Non-magnetic gaps 29, 30 can be made by using non-magnetic gaskets.

Каждая силовая ключевая ячейка 14-1...14-N и 15-1...15-N содержит обратный диод либо с тиристором, либо с аналогичным тиристору транзистором. Each power key cell 14-1 ... 14-N and 15-1 ... 15-N contains a reverse diode with either a thyristor or a transistor similar to a thyristor.

Переключающий элемент 20 может быть выполнен в виде счетного триггера. The switching element 20 can be made in the form of a counting trigger.

Преобразователь работает следующим образом. The converter operates as follows.

При наличии входного напряжения генератор 21 постоянно с требуемой частотой вырабатывает импульсы на переключающий элемент 20, под действием которых на очередных выходах 18 и 19 вырабатываются сигналы, по фронту либо по срезу которых соответствующий блок 16 или 17 формирует сигнал управления на открытие соответствующих силовых ячеек 14-1...14-N и 15-1...15-N. In the presence of an input voltage, the generator 21 constantly generates pulses to the switching element 20, under the action of which signals are generated at the next outputs 18 and 19, along the edge or through the slice of which the corresponding block 16 or 17 generates a control signal to open the corresponding power cells 14- 1 ... 14-N and 15-1 ... 15-N.

Входное постоянное напряжение при очередном открывании силовых ключевых ячеек 14-1. . . 14-N верхнего плеча или силовых ключевых ячеек 15-1...15-N нижнего плеча преобразуется на реакторе 5 и конденсаторе 6 колебательного контура в однофазное переменное напряжение и подается на первичную обмотку 7 силового трансформатора 8, которое из одного уровня преобразуется во вторичных обмотках 9-1...9-K в требуемые напряжения других уровней, которые после выпрямителей 10-1. . . 10-K и сглаживающих фильтров 11-1...11-K образуют на положительных выходных клеммах 12-1...12-K и отрицательных выходных клеммах 13-1...13-K требуемые выходные напряжения преобразователя. Input DC voltage at the next opening of power key cells 14-1. . . The 14-N upper arm or power key cells 15-1 ... 15-N of the lower arm are converted at the reactor 5 and the capacitor 6 of the oscillatory circuit into a single-phase alternating voltage and fed to the primary winding 7 of the power transformer 8, which is converted from secondary to secondary windings 9-1 ... 9-K to the required voltages of other levels, which after rectifiers 10-1. . . 10-K and smoothing filters 11-1 ... 11-K form the required output voltage of the converter on the positive output terminals 12-1 ... 12-K and negative output terminals 13-1 ... 13-K.

При больших нагрузках, соответствующих току выше I_м/m, где I_м - максимальное значение тока, П-образный сердечник 25, имеющий малый немагнитный зазор 29, входит в насыщение, а второй П-образный сердечник 26, имеющий большой немагнитный зазор 30, не насыщается.At large loads corresponding to a current above I _m / m, where I _m is the maximum current value, the U-shaped core 25 having a small non-magnetic gap 29 enters saturation, and the second U-shaped core 26 having a large non-magnetic gap 30, not saturated.

В результате общая индуктивность дросселя 23 снижается приблизительно в S₂₆/(S₂₆+S₂₅m) раз, где S₂₅ и S₂₆ - сечения магнитопроводов П-образных сердечников 25 и 26 соответственно. Значение данной индуктивности рассчитывается по традиционным методикам с учетом того, что снижение частоты ограничено насыщением силового трансформатора 8 и ток I_м/m является минимальным, при котором осуществляется требуемая точность поддержания выходного напряжения.As a result, the total inductance of the inductor 23 decreases approximately S ₂₆ / (S ₂₆ + S ₂₅ m) times, where S ₂₅ and S ₂₆ are the cross sections of the magnetic cores of the U-shaped cores 25 and 26, respectively. The value of this inductance is calculated by traditional methods, taking into account the fact that the frequency reduction is limited by the saturation of the power transformer 8 and the current I _m / m is the minimum at which the required accuracy of maintaining the output voltage is achieved.

При снижении тока нагрузки ниже I_м/m П-образный сердечник 25 выходит из насыщения и по сравнению с предыдущим случаем общая индуктивность фильтра увеличивается в (S₂₆ + S₂₅m)/S₂₆ раз. В результате минимальное значение тока нагрузки, при котором осуществляется требуемая точность поддержания выходного напряжения, снижается в (S₂₆/(S₂₆+S₂₅m))^0,5.When the load current decreases below I _m / m, the U-shaped core 25 goes out of saturation and, compared with the previous case, the total filter inductance increases by (S ₂₆ + S ₂₅ m) / S ₂₆ times. As a result, the minimum value of the load current at which the required accuracy of maintaining the output voltage is achieved decreases in (S ₂₆ / (S ₂₆ + S ₂₅ m)) ^0.5 .

Благодаря этому увеличивается полное внутреннее сопротивление преобразователя и обеспечивается точность поддержания выходных напряжений преобразователя при широком изменении входного напряжения и широком диапазоне изменения тока нагрузок от I_м(S₂₆/(S₂₆+S₂₅m))^0,5 до I_м [А], и при ограничении снижения частоты регулирования, обусловленного насыщением силового трансформатора. Соответственно ток поднагрузки может быть снижен в [(S₂₆+S₂₅m)^0,5] /(S^0,5 ₂₆ m) раз, что обуславливает снижение потерь в поднагрузке в (S₂₆/m+S₂₅)/(S₂₆m) раз и соответственно определяет повышение КПД преобразователя. Также при малых нагрузках отсутствует превышение выходного напряжения над номинальным значением, что обуславливает надежность работы конденсатора фильтра и соответственно всего преобразователя в целом.Due to this, the total internal resistance of the converter increases and the accuracy of maintaining the output voltages of the converter is ensured with a wide change in the input voltage and a wide range of load currents from I _m (S ₂₆ / (S ₂₆ + S ₂₅ m)) ^0.5 to I _m [A] , and while limiting the reduction in the frequency of regulation due to saturation of the power transformer. Accordingly, the preload current can be reduced by [(S ₂₆ + S ₂₅ m) ^0.5 ] / (S ^0.5 ₂₆ m) times, which leads to a decrease in the losses in the preload by (S ₂₆ / m + S ₂₅ ) / (S ₂₆ m) times and accordingly determines the increase in efficiency of the converter. Also, at low loads, there is no excess of the output voltage over the nominal value, which determines the reliability of the filter capacitor and, accordingly, the entire converter as a whole.

Таким образом, при относительной простоте электрической схемы обеспечиваются повышение КПД, точность поддержания выходных напряжений и надежная работа преобразователя при широком изменении входного напряжения, особенно при малых нагрузках и при ограничении снижения частоты регулирования, обусловленного насыщением силового трансформатора. Thus, with the relative simplicity of the circuitry, an increase in efficiency, accuracy in maintaining the output voltages, and reliable operation of the converter with a wide change in the input voltage, especially at low loads and when limiting the reduction in the regulation frequency due to saturation of the power transformer, are provided.

Claims

A DC-voltage converter comprising a bridge, the shoulders of the first rack of which are formed by capacitors, some of the conclusions of which are connected to the corresponding input voltage buses, other conclusions through the diagonal of the bridge, formed by an oscillating circuit from a series-connected reactor and capacitor, are connected to the combined terminals of the shoulders of the second bridge rack, each of which is formed by a semiconductor key element, the control input of which is connected to the output of the corresponding signal forming unit in the control, the input of which is connected to one of the paraphase outputs of the switching logic element controlled from the pulse generator, the primary winding of the power transformer is connected to the diagonal of the bridge, each of the n secondary windings of which is connected through the corresponding rectifier and LC filter to the output buses, characterized in that to increase the internal resistance of the converter at low load currents and to prevent the output voltage from exceeding the permissible value when working at the minimum load each LC-filter is made with one winding on two U-shaped cores with cores having different non-magnetic gaps X ₁ and X ₂ .