RU2523698C1

RU2523698C1 - Direct to alternate current converter

Info

Publication number: RU2523698C1
Application number: RU2013106405/07A
Authority: RU
Inventors: Юрий Иванович Клименко; Николай Александрович Кузнецов; Константин Степанович Перфильев; Яков Владимирович Чупин; Павел Иванович Хрусталев
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Российские Железные Дороги"
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2013-02-14
Publication date: 2014-07-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: direct to alternate current converter includes direct voltage source with capacitor at the output, bridge voltage inverter consisting of four switch elements composed of a transistor and reverse diode each, with direct current outputs connected to direct voltage source outputs and alternate voltage outputs connected to primary winding of transformer, secondary winding of which is connected to a load, and control system. Hall sensor is built in magnetic conductor of the transformer, sensor output connected to control system input with its outputs connected to inputs of first and second drivers, each driver controlling two serial switch elements of bridge voltage inverter.

EFFECT: reduced weight and dimensions of converter.

1 dwg

Description

Изобретение относится к преобразователям электрической энергии, конкретно к автономным инверторам напряжени, и может быть использовано во вторичных источниках питания в общепромышленной технике, а также в преобразователях собственных нужд для локомотивов на железнодорожном транспорте.The invention relates to electric energy converters, specifically to stand-alone voltage inverters, and can be used in secondary power sources in general industrial equipment, as well as in auxiliary converters for locomotives in railway transport.

Известен статический преобразователь, содержащий полумостовой транзисторный инвертор, состоящий из конденсаторного делителя напряжения контактной сети и двух транзисторов, трансформатора, первый вывод первичной обмотки которого подключен к средней точке конденсаторного делителя напряжения, второй вывод - к эмиттеру первого и коллектору второго транзисторов, а вторичная обмотка подключена к нагрузке регулятора напряжения и ШИМ-контроллера, первый выход которого соединен с управляющими цепями первого транзистора, второй выход соединен с управляющими цепями второго транзистора, а вход - с выходом регулятора напряжения (RU, патент №2314939, B60L 9/04, B60L 01/00, 2008 г.).A known static converter containing a half-bridge transistor inverter, consisting of a capacitor voltage divider of the contact network and two transistors, a transformer, the first output of the primary winding of which is connected to the midpoint of the capacitor voltage divider, the second output to the emitter of the first and collector of the second transistor, and the secondary winding is connected to the load of the voltage regulator and PWM controller, the first output of which is connected to the control circuits of the first transistor, the second output is connected ene with control circuits of the second transistor, and input - with the output of the voltage regulator (RU, patent №2314939, B60L 9/04, B60L 01/00, 2008 YG).

Недостатком данного статического преобразователя является в два раза меньшая мощность на выходе при использовании одинаковых силовых транзисторов, обусловленная использованием в нем полумостовой схемы транзисторного инвертора.The disadvantage of this static converter is half the output power when using the same power transistors, due to the use of a half-bridge transistor inverter circuit in it.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является однофазный мостовой транзисторный инвертор, принятый за прототип, содержащий транзисторы, источник питания со сглаживающим конденсатором на выходе, нагрузку, преимущественно трансформаторного типа, подключенную через конденсатор к диагонали переменного тока упомянутого однофазного мостового транзисторного инвертора, а также содержащий датчик тока нагрузки, соединенный выходом с системой управления и защиты, датчик сквозных токов, выполненный в виде четырехобмоточного насыщающегося трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к соответствующему входу системы управления и защиты (RU, патент №2168825, Н02Н 7/22, Н02М 7/5387, 2001 г.).The closest to the claimed invention in terms of essential features is a single-phase bridge transistor inverter, adopted as a prototype, containing transistors, a power source with a smoothing capacitor at the output, a load, mainly of a transformer type, connected through a capacitor to the diagonal of the alternating current of the aforementioned single-phase bridge transistor inverter, and also containing a load current sensor connected by the output to the control and protection system, a through-current sensor made which is in the form of a four-winding saturable transformer, the secondary winding of which is connected to the corresponding input of the control and protection system (RU, patent No. 2168825, Н02Н 7/22, Н02М 7/5387, 2001).

Недостатком прототипа являются большие массогабаритные размеры датчика сквозных токов и силового конденсатора в цепи первичной обмотки трансформатора, рассчитанных на полный ток обмотки трансформатора.The disadvantage of the prototype is the large overall dimensions of the sensor through currents and a power capacitor in the primary circuit of the transformer, designed for the total current of the transformer winding.

Техническим результатом изобретения является уменьшение массогабаритных размеров преобразователя.The technical result of the invention is to reduce the overall dimensions of the converter.

Указанный технический результат достигается тем, что преобразователь постоянного тока в переменный ток, содержащий источник постоянного напряжения с конденсатором на выходе, мостовой инвертор напряжения, состоящий из четырех ключей, каждый из которых состоит из транзистора и обратного диода, выводы постоянного тока которого соединены с выходом источника постоянного напряжения, а выводы переменного тока подключены к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, систему управления, кроме этого в магнитопровод трансформатора встроен датчик Холла, выход которого подключен к входу системы управления, выходы которой подключены к входам первого и второго драйверов, каждый из которых управляет двумя последовательно включенными ключами мостового инвертора напряжения.The specified technical result is achieved by the fact that the DC-to-AC converter containing a constant voltage source with a capacitor at the output, a bridge voltage inverter consisting of four keys, each of which consists of a transistor and a reverse diode, the direct current terminals of which are connected to the source output DC voltage, and the AC terminals are connected to the primary winding of the transformer, the secondary winding of which is connected to the load, the control system, in addition to this, in m the transformer’s agit conductor is equipped with a Hall sensor, the output of which is connected to the input of the control system, the outputs of which are connected to the inputs of the first and second drivers, each of which controls two keys of the bridge voltage inverter connected in series.

На чертеже представлена структурная схема преобразователя постоянного тока в переменный ток.The drawing shows a structural diagram of a DC to AC converter.

Преобразователь постоянного тока в переменный ток, содержит источник постоянного напряжения 1 с конденсатором 2 на выходе, мостовой инвертор напряжения 3, состоящий из четырех ключей 4-7, каждый из которых состоит из транзистора 8 и обратного диода 9, выводы постоянного тока которого соединены с выходом источника постоянного напряжения 1, а выводы переменного тока подключены к первичной обмотке 10 трансформатора 11, вторичная обмотка 12 которого подключена к нагрузке 13, систему управления 14, датчик Холла 15, встроеный в магнитопровод трансформатора 11 и выход которого подключен к входу системы управления 14, выходы которой подключены к входам первого и второго драйверов 16, 17. Драйверы 16, 17 управляют соответственно последовательно включенными ключами 4,5 и 6,7 мостового инвертора напряжения 3.The DC / AC converter contains a DC voltage source 1 with a capacitor 2 at the output, a bridge voltage inverter 3, consisting of four switches 4-7, each of which consists of a transistor 8 and a reverse diode 9, the DC current terminals of which are connected to the output a DC voltage source 1, and the AC terminals are connected to the primary winding 10 of the transformer 11, the secondary winding of which 12 is connected to the load 13, the control system 14, the Hall sensor 15, built into the transformer magnetic circuit Ora 11 and the output of which is connected to the input of the control system 14, the outputs of which are connected to the inputs of the first and second drivers 16, 17. Drivers 16, 17 control respectively the series-connected keys 4,5 and 6,7 of the bridge voltage inverter 3.

Магнитопровод трансформатора 11 выполнен разрезным поперек направления линий магнитной индукции. На поверхности разреза выполнено углубление, в которое устанавливают датчик Холла 15. Датчик Холла 15 преобразует индукцию магнитного поля трансформатора 11 в напряжение, знак и величина которого зависит от полярности и силы магнитного поля.The magnetic core of the transformer 11 is made split across the direction of the lines of magnetic induction. A recess is made on the surface of the cut into which the Hall sensor 15 is installed. The Hall sensor 15 converts the magnetic field induction of the transformer 11 into a voltage, the sign and magnitude of which depends on the polarity and strength of the magnetic field.

Драйвера 16, 17 усиливают по мощности сигналы с системы управления 14, а также осуществляет гальваническую развязку между силовыми цепями мостового инвертора напряжения 3 и слаботочными цепями системы управления 14. Кроме этого, драйвера 16,17 осуществляют мониторинг падения напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзисторов 8 ключей 4-7.Drivers 16, 17 amplify the power signals from the control system 14, and also performs galvanic isolation between the power circuits of the bridge voltage inverter 3 and low-current circuits of the control system 14. In addition, drivers 16.17 monitor the voltage drop at the collector-emitter junction of transistors 8 keys 4-7.

В качестве транзисторов 8 могут быть использованы IGBT-транзисторы или транзисторы структуры MOSFET. Обратные диоды 9 защищают транзисторы 8 в моменты выключения от обратных напряжений.As transistors 8, IGBTs or transistors of a MOSFET structure can be used. Reverse diodes 9 protect transistors 8 at the time of shutdown from reverse voltages.

Преобразователь постоянного тока в переменный ток работает следующим образом.The DC-to-AC converter operates as follows.

Включают источник постоянного напряжения 1 с конденсатором 2, постоянное напряжение которого подается на выводы постоянного тока мостового инвертора напряжения 3, состоящего из четырех ключей 4-7, каждый из которых состоит из транзистора 8 и обратного диода 9. Выводы переменного тока мостового инвертора напряжения 3 подключают к первичной обмотке 10 трансформатора 11, в магнитопровод трансформатора 11 встроен датчик Холла 15, выход которого подключен к входу системы управления 14. Очередность включения ключей 4-7 осуществляют системой управления 14. Системой управления 14 формируют два противофазных сигнала управления и подают соответственно на входы драйверов 16,17. Каждым из драйверов 16,17 управляют двумя последовательно включенными ключами 4,5 и 6,7 мостового инвертора напряжения 3. При включении ключа 4(6), выключают ключ 5(7) и наоборот. Напряжение источника постоянного напряжения 1 преобразуют в переменное напряжение одновременным включением ключей 4,7 (6,5) и выключением ключей 6,5 (4,7). При этом ток через первичную обмотку 10 трансформатора 11 полпериода управляющего сигнала течет в одну сторону и полпериода в другую, перемагничивая магнитопровод трансформатора 11 по симметричной петле гистерезиса. Датчиком Холла 15 индукцию магнитного поля преобразуют в двухполярное импульсное напряжение, которое поступает в систему управления 14. Вследствие неидентичности характеристик транзисторов 8 ключей 4-7, в частности времен включения и выключения транзисторов 8, в переменном токе первичной обмотки 10 трансформатора 11 появляется постоянная составляющая тока, которая намагничивает магнитопровод трансформатора 11. При этом датчик Холла 15 формирует двухполярное импульсное напряжение со смещением в положительное или отрицательное значение. Системой управления 14 путем фильтрации выделяют постоянную составляющую выходного напряжения с датчика Холла 15 и в зависимости от знака постоянной составляющей увеличивают или уменьшают скважность импульсов управления. Процесс регулирования осуществляют до тех пор, пока постоянная составляющая выходного напряжения с датчика Холла 15 не станет равной нулю.Include a constant voltage source 1 with a capacitor 2, a constant voltage of which is supplied to the DC terminals of the bridge voltage inverter 3, consisting of four keys 4-7, each of which consists of a transistor 8 and a reverse diode 9. The AC terminals of the bridge voltage inverter 3 are connected to the primary winding 10 of the transformer 11, a Hall sensor 15 is built into the magnetic circuit of the transformer 11, the output of which is connected to the input of the control system 14. The sequence of turning on the keys 4-7 is carried out by the control system 14. The control system 14 form two antiphase control signal and fed respectively to the inputs of drivers 16,17. Each of the drivers 16.17 is controlled by two series-connected keys 4,5 and 6,7 of the bridge voltage inverter 3. When the key 4 (6) is turned on, the key 5 (7) is turned off and vice versa. The voltage of the constant voltage source 1 is converted into alternating voltage by simultaneously turning on the keys 4.7 (6.5) and turning off the keys 6.5 (4.7). In this case, the current through the primary winding 10 of the transformer 11 of the half-period of the control signal flows in one direction and half-period in the other, magnetizing the magnetic core of the transformer 11 through a symmetrical hysteresis loop. The Hall sensor 15 converts the magnetic field induction into a bipolar pulse voltage, which is supplied to the control system 14. Due to the non-identical characteristics of the transistors 8 of the keys 4-7, in particular the on and off times of the transistors 8, a constant current component appears in the alternating current of the primary winding 10 of the transformer 11 , which magnetizes the magnetic core of the transformer 11. In this case, the Hall sensor 15 generates a bipolar pulse voltage with an offset to a positive or negative value. The control system 14 by filtering emits a constant component of the output voltage from the Hall sensor 15 and, depending on the sign of the constant component, increase or decrease the duty cycle of the control pulses. The regulation process is carried out until the constant component of the output voltage from the Hall sensor 15 becomes equal to zero.

Драйверами 16, 17 не только включают ключи 4-7, но и осуществляют мониторинг состояния транзисторов 8. При сквозном токе через ключи 4,5 (6,7) падение напряжения на переходах коллектор-эмиттер транзисторов 8 превысит допустимое значение и драйвер 16 (17) блокирует импульсы управления с передачей сигнала аварии в систему управления 14.Drivers 16, 17 not only turn on the keys 4-7, but also monitor the status of transistors 8. With a through current through the switches 4,5 (6,7), the voltage drop across the collector-emitter junctions of transistors 8 will exceed the permissible value and driver 16 (17 ) blocks the control pulses with the transmission of the alarm signal to the control system 14.

Применение датчика Холла 15 и драйверов 16,17 позволяют исключить из конструции преобразователя постоянного тока в переменный ток крупногабаритные датчик сквозного тока и силовой конденсатор.The use of the Hall sensor 15 and drivers 16.17 make it possible to exclude from the design of the DC-AC converter an oversized through-current sensor and a power capacitor.

Предлагаемый преобразователь постоянного тока в переменный ток испытан и будет реализован в преобразователе собственных нужд опытного магистрального газотурбовоза ГТ1h - 002.The proposed converter of direct current to alternating current is tested and will be implemented in the converter of own needs of the experimental main gas turbine locomotive GT1h - 002.

Claims

A DC / AC converter containing a DC voltage source with a capacitor at the output, a bridge voltage inverter consisting of four keys, each of which consists of a transistor and a reverse diode, the DC terminals of which are connected to the output of the DC voltage source, and the AC terminals connected to the primary winding of the transformer, the secondary winding of which is connected to the load, a control system, characterized in that a sensor is built into the magnetic core of the transformer Hall, the output of which is connected to the input of the control system, the outputs of which are connected to the inputs of the first and second drivers, each of which controls two keys in series with the bridge voltage inverter.