RU2717966C1 - Static voltage converter - Google Patents
Static voltage converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2717966C1 RU2717966C1 RU2019137089A RU2019137089A RU2717966C1 RU 2717966 C1 RU2717966 C1 RU 2717966C1 RU 2019137089 A RU2019137089 A RU 2019137089A RU 2019137089 A RU2019137089 A RU 2019137089A RU 2717966 C1 RU2717966 C1 RU 2717966C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- voltage
- power
- output
- inverter
- converter
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
- H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
- H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/337—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in push-pull configuration
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к областям электротехники и железнодорожного транспорта, в частности - к преобразованию постоянного напряжения контактной сети в регулируемый ток обмоток возбуждения тяговых электродвигателей и в стабилизированное напряжение постоянного тока для собственных потребителей транспортных средств.The invention relates to the fields of electrical engineering and railway transport, in particular to the conversion of a direct voltage of a contact network into a regulated current of excitation windings of traction electric motors and into a stabilized DC voltage for own consumers of vehicles.
Из уровня техники известен преобразователь постоянного напряжения из патента РФ 2345473 с датой публикации 27.01.2009. Преобразователь содержит однофазный импульсный инвертор, в диагонали инвертора включены первичные обмотки разделительных трансформаторов, вторичные обмотки трансформаторов подключены к мосту и LC-фильтр. В каждом инверторе напряжения параллельно каждому транзисторному ключу дополнительно подключены амортизирующие цепи.The prior art DC-DC Converter from the patent of the Russian Federation 2345473 with the publication date 01/27/2009. The converter contains a single-phase pulse inverter, the primary windings of isolation transformers are included in the diagonal of the inverter, the secondary windings of the transformers are connected to the bridge and an LC filter. In each voltage inverter, parallel to each transistor switch, damping circuits are additionally connected.
Недостатками данного преобразователя являются низкая частота преобразования, высокие потери на коммутацию при малых нагрузках.The disadvantages of this converter are the low conversion frequency, high switching losses at low loads.
Из уровня техники известно последовательное соединение силовых транзисторов с целью снижения уровня максимального напряжения на отдельных ключах (стр. 441-444 «Стабилизированные транзисторные преобразователи», B.C. Моин, Н.Н. Лаптев, М., Энергия, 1972).The prior art knows the serial connection of power transistors in order to reduce the maximum voltage level on individual switches (pp. 441-444 "Stabilized transistor converters", B.C. Moin, NN Laptev, M., Energy, 1972).
Известно последовательное соединение IGBT модулей меньшего класса рабочего напряжения для использования на замену IGBT модулей более высокого класса напряжения (стр. 344-348 Andreas Volke, Michael Hornkamp. IGBT Modules. Technologies, Drivers and Application. Publisher: Infineon Technologies AG, Munich, 2012).The serial connection of IGBT modules of a lower voltage class is known for use in replacing IGBT modules of a higher voltage class (pp. 344-348 Andreas Volke, Michael Hornkamp. IGBT Modules. Technologies, Drivers and Application. Publisher: Infineon Technologies AG, Munich, 2012) .
Недостатком данного технического решения является сложная схема коррекции времени переключения IGBT модулей, что увеличивает сложность и габариты конечного устройства и снижает его надежность.The disadvantage of this technical solution is the complex correction scheme for switching time of IGBT modules, which increases the complexity and dimensions of the final device and reduces its reliability.
Известен статический преобразователь, предназначенный для управления током обмотки возбуждения тяговых двигателей и для формирования промежуточного напряжения 600 В для питания остальных потребителей энергии в режиме резервирования, который включает в себя инвертор, собранный по мостовой схеме на составных IGBT-транзисторах, трансформатор и три выпрямителя, два из которых преобразуют напряжение с выхода инвертора в напряжение с управляемым значением тока для питания обмоток возбуждения и один неуправляемый выпрямитель - в напряжение 600 В (стр. 187-188 «Электровоз 2ЭС6 «Синара». под. ред. В.В. Брексона, В. Пышма, ООО «Уральские локомотивы», 2015).A known static converter designed to control the excitation winding current of traction motors and to generate an intermediate voltage of 600 V for supplying other energy consumers in the backup mode, which includes an inverter assembled according to the bridge circuit with composite IGBT transistors, a transformer and three rectifiers, two of which the voltage is converted from the inverter output to a voltage with a controlled current value for supplying the field windings and one uncontrolled rectifier to a voltage of 600 In (p. 187-188 “Electric locomotive 2ES6“ Sinara ”. Edited by V.V. Brekson, V. Pyshma, LLC“ Ural Locomotives ”, 2015).
Недостатками статического преобразователя являются применение неуправляемого выпрямителя для формирования выходного напряжения, что ухудшает параметры выходного напряжения 600 В, а также отсутствует возможность выравнивания напряжения между соединенными последовательно IGBT модулями.The disadvantages of the static converter are the use of an uncontrolled rectifier for generating the output voltage, which degrades the output voltage parameters of 600 V, and there is no possibility of equalizing the voltage between the IGBT modules connected in series.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является преобразователь напряжения, известный из патента РФ 2145145 с датой публикации 27.01.2000. Преобразователь содержит ключи, включенные по мостовой схеме, силовой трансформатор, первичная обмотка которого включена в диагональ моста, дроссель насыщения, силовой выпрямитель, LC-фильтр. Выход LC-фильтра соединен с нагрузкой. Каждый силовой ключ содержит силовой транзистор, зашунтированный обратным диодом и конденсатором.The closest technical solution to the claimed invention is a voltage converter, known from the patent of the Russian Federation 2145145 with a publication date of 27.01.2000. The converter contains keys connected by a bridge circuit, a power transformer, the primary winding of which is included in the diagonal of the bridge, a saturation inductor, a power rectifier, an LC filter. The output of the LC filter is connected to the load. Each power switch contains a power transistor, shunted by a reverse diode and capacitor.
Недостатками прототипа являются отсутствие возможности реализации n числа независимых регулируемых выходных каналов преобразователя и ограничение по максимальному входному напряжению преобразователя из-за ограниченного максимального рабочего напряжения одиночных силовых ключей.The disadvantages of the prototype are the lack of the possibility of implementing n number of independent adjustable output channels of the converter and the limitation on the maximum input voltage of the converter due to the limited maximum operating voltage of single power switches.
Техническими задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются уменьшение массы и габаритных размеров преобразователя и расширение функциональных возможностей.The technical problems to be solved by the claimed invention is directed are to reduce the mass and overall dimensions of the converter and expand the functionality.
Техническими результатами являются:Technical results are:
- увеличение максимального возможного рабочего напряжения на входе преобразователя;- increase the maximum possible operating voltage at the input of the Converter;
- повышение рабочей частоты преобразователя;- increase the operating frequency of the converter;
- расширение диапазона изменения нагрузки на выходе преобразователя при работе без динамических потерь на включение силовых ключей;- expanding the range of changes in the load at the inverter output when operating without dynamic losses on the inclusion of power switches;
- возможность реализации n числа независимых регулируемых выходных каналов при работе от одного инвертора напряжения.- the ability to implement n number of independent adjustable output channels when operating from a single voltage inverter.
Технические результаты заявленного изобретения достигаются за счет реализации статического преобразователя, содержащего инвертор напряжения, состоящий из силовых ключей, включенных по мостовой схеме, силовой высоковольтный трансформатор, первичная обмотка которого включена в диагональ моста, а вторичная обмотка подключена к силовому выпрямителю и LC-фильтр, подключенный к выходу силового выпрямителя. Каждый силовой ключ инвертора состоит из n числа последовательно соединенных IGBT-модулей. К каждому IGBT-модулю подключена снабберная RCD-цепь или конденсатор. Силовой высоковольтный трансформатор имеет, по меньшей мере, три выходные обмотки, каждая из которых подключена к силовому выпрямителю, который выполнен управляемым и состоит из тиристоров. Инвертор напряжения содержит дроссель холостого хода, включенный в диагональ моста параллельно первичной обмотке силового высоковольтного трансформатора. Управление инвертором напряжения и силовыми выпрямителями осуществляется цифровым контроллером управления.The technical results of the claimed invention are achieved through the implementation of a static converter containing a voltage inverter, consisting of power switches connected in a bridge circuit, a high-voltage power transformer, the primary winding of which is included in the diagonal of the bridge, and the secondary winding is connected to the power rectifier and an LC filter connected to the output of the power rectifier. Each inverter power switch consists of n number of IGBT modules connected in series. A snubber RCD circuit or capacitor is connected to each IGBT module. The high-voltage power transformer has at least three output windings, each of which is connected to a power rectifier, which is made controllable and consists of thyristors. The voltage inverter contains an idle throttle included in the diagonal of the bridge parallel to the primary winding of the high-voltage power transformer. The voltage inverter and power rectifiers are controlled by a digital control controller.
Цифровой контроллер управления может быть выполнен с возможностью формирования сигналов управления инвертором напряжения и управляемыми выпрямителями, а также может быть выполнен с возможностью получения информации о выходных токах и выходном напряжении управляемых выпрямителей. В цифровом контроллере управления введена задержка на включение тиристора соответствующей полярности в управляемых выпрямителях после выключения IGBT-модулей.The digital control controller may be configured to generate control signals for the voltage inverter and the controlled rectifiers, and may also be configured to obtain information about the output currents and the output voltage of the controlled rectifiers. A delay has been introduced in the digital control controller to turn on the thyristor of the corresponding polarity in controlled rectifiers after turning off the IGBT modules.
Статический преобразователь напряжения предназначен для работы от высоковольтного напряжения постоянного тока, в частности, от напряжения контактной сети диапазона 2200-4000 В, с использованием внешней схемы предварительного заряда входных конденсаторов. Преобразователь формирует на своем выходе ток заданной величины по двум независимым каналам для индуктивной нагрузки, в частности для обмоток возбуждения тяговых электродвигателей электровоза, и стабилизированное напряжение, гальванически развязанное от входа преобразователя, для питания различных потребителей, в том числе потребителей собственных нужд электровоза.The static voltage converter is designed to operate on high-voltage direct current, in particular, on the voltage of the contact network of the range 2200-4000 V, using an external circuit for pre-charging input capacitors. The converter generates at its output a current of a given value through two independent channels for inductive load, in particular for the excitation windings of the traction electric motors of the electric locomotive, and a stabilized voltage galvanically isolated from the input of the converter, to power various consumers, including consumers of the electric locomotive's own needs.
На фигуре 1 представлена принципиальная схема статического преобразователя напряжения:The figure 1 presents a schematic diagram of a static voltage Converter:
1 - инвертор напряжения1 - voltage inverter
2 - силовой ключ2 - power key
3 - IGBT-модуль3 - IGBT module
4 - снабберная RCD-цепь4 - snubber RCD chain
5 - конденсатор5 - capacitor
6 - силовой высоковольтный трансформатор6 - power high-voltage transformer
7 - управляемый выпрямитель канала формирования тока7 - controlled rectifier channel current formation
8 - управляемый выпрямитель канала формирования напряжения8 - controlled rectifier channel voltage generation
9 - LC-фильтр9 - LC filter
10 - цифровой контроллер управления10 - digital control controller
11 - дроссель холостого хода.11 - an idle throttle.
Статический преобразователь напряжения содержит инвертор напряжения 1, выполненный по мостовой схеме из силовых ключей 2, каждый силовой ключ 2 состоит из n числа соединенных последовательно IGBT модулей 3, причем параллельно каждому IGBT-модулю 3 подключена снабберная RCD-цепь 4 или конденсатор 5, в диагональ моста включена первичная обмотка силового высоковольтного трансформатора 6, к двум вторичным обмоткам трансформатора 6 подключены управляемые тиристорные выпрямители канала формирования тока 7, а к третьей вторичной обмотке трансформатора 6 подключен управляемый тиристорный выпрямитель источника напряжения 8, к выходу выпрямителя 8 подключен LC-фильтр 9. Статический преобразователь напряжения содержит цифровой контроллер управления 10, который формирует сигналы управления инвертором напряжения 1 и управляемыми выпрямителями 7 и 8 и получает от них информацию о выходных токах и выходном напряжении. Параллельно первичной обмотке силового высоковольтного трансформатора 6 подключен дроссель холостого хода 11.The static voltage converter contains a
Статический преобразователь работает следующим образом.The static converter operates as follows.
Входное напряжение, подаваемое на статический преобразователь, поступает на вход инвертора напряжения 1, который обеспечивает преобразование постоянного входного напряжения в переменное напряжение прямоугольной формы, поступающее на первичную обмотку силового высоковольтного трансформатора 6 с двух выходов которого (вторичных обмоток) переменное напряжение поступает на управляемые выпрямители 7, которые обеспечивают его преобразование в постоянный ток заданной величины, а с третьего выхода силового высоковольтного трансформатора 6 переменное напряжение поступает на управляемый выпрямитель 8, собранный по мостовой схеме, на выходе которого формируется напряжение постоянного тока, которое сглаживается LC-фильтром 9.The input voltage supplied to the static converter is supplied to the input of the
Цифровой контроллер управления 10 поочередно выдает сигналы включения на два диагонально расположенных силовых ключа 2 инвертора напряжения 1, при этом длительность сигналов включения фиксированная и составляет половину рабочего периода, за вычетом паузы между сигналами включения (защитного интервала), когда все силовые ключи 2 инвертора напряжения 1 закрыты. Контроллер 10 получает информацию о величине выходных токов на выходе управляемых выпрямителей 7, 8 и о величине напряжения на выходе LC-фильтра 9, на основании которой осуществляет регулирование, то есть выдачу сигналов включения тиристоров в управляемых выпрямителях 7, 8.The
В статическом преобразователе цифровой контроллер управления 10 выполнен с возможностью формирования сигналов управления инвертором напряжения 1 и управляемыми выпрямителями 7, 8, при этом скважность переменного напряжения, подаваемого с инвертора 1 зафиксирована, а регулирование каждым из выходных каналов осуществляется независимо, что дает возможность реализации n числа независимых выходных каналов при работе от одного инвертора напряжения путем добавления к дополнительным вторичным обмоткам силового трансформатора управляемых выпрямителей. Так же цифровой контроллер управления 10 выполнен с возможностью получения информации о выходных токах и выходном напряжении управляемых выпрямителей 7, 8, что позволяет сделать эти независимые выходные каналы регулируемыми. В зависимости от потребности, дополнительные управляемые выпрямители могут быть выполнены, в виде канала формирования тока или, совместно с LC-фильтром, в виде канала формирования напряжения.In the static converter, the
Применение в статическом преобразователе цифрового контроллера управления 10 для управления тиристорными выпрямителями позволяет реализовать дополнительные функциональные возможности такие как, например, ограничение на выходе управляемого выпрямителя выходного тока, выходного напряжения, выходной мощности или включение/выключение управляемого выпрямителя.The use of a
Для увеличения максимального допустимого рабочего напряжения статического преобразователя каждый силовой ключ 2 инвертора напряжения 1 выполнен из соединенных последовательно IGBT-модулей 3, количество которых определяется этим рабочим напряжением.To increase the maximum allowable operating voltage of the static converter, each
Для выравнивания напряжения между соединенными последовательно IGBT-модулями 3 в период коммутации, параллельно каждому IGBT-модулю 3 подключен снаббер 4 или конденсатор 5.To equalize the voltage between the IGBT modules 3 connected in series during the switching period, a snubber 4 or a capacitor 5 is connected in parallel to each IGBT module 3.
При выключении силовых ключей 2 одной из диагонали моста, ток, протекающий через первичную обмотку трансформатора 6, за время паузы перезаряжает конденсатор снаббера 4 или конденсатор 5, подключенные параллельно IGBT-модулям и, затем, замыкается через встроенные в IGBT-модули 3 оппозитные диоды другой диагонали моста, перед ее включением, обратно через вход инвертора напряжения 1, тем самым реализуя включение IGBT-модулей 3 при нулевом напряжении (режим ZVS). Для перезаряда конденсатора в снабберах 4 или конденсатора 5 перед включением IGBT-модулей (режим ZVS) в цифровом контроллере управления 10 введена задержка на включение тиристора соответствующей полярности в управляемых выпрямителях 7, 8 после выключения IGBT-модулей 3 в силовых ключах (после изменения полярности напряжения на трансформаторе 5). При этом перезаряд конденсатора в снабберах 4 или конденсатора 5 происходит за счет энергии, накопленной в индуктивности на выходе управляемых выпрямителей 7, 8. Для реализации режима ZVS в инверторе напряжения 1 при отсутствии тока нагрузки на выходе управляемых выпрямителей 7, 8 (режим холостого хода) в диагональ моста, параллельно первичной обмотке трансформатора 6, вводится дроссель холостого хода 11. Применение в статическом преобразователе дросселя холостого хода 11 позволяет расширить диапазон изменения нагрузки на выходе статического преобразователя при работе без динамических потерь на включение силовых ключей, то есть обеспечить режиме ZVS в случае малого выходного тока и режима холостого хода.When you turn off the
Применение в инверторе напряжения 1, рассчитанном на работу при высоком входном напряжении, в качестве силового ключа соединенных последовательно IGBT-модулей и реализация режима ZVS позволяет повысить рабочую частоту статического преобразователя, тем самым уменьшить массу и габариты силового трансформатора и фильтрующих элементов на входе и выходе преобразователя.The use of
Таким образом, осуществление изобретения с совокупностью заявленных признаков в формуле позволяет решить технические проблемы и обеспечить указанные в описании изобретения технические результаты.Thus, the implementation of the invention with the totality of the claimed features in the formula allows to solve technical problems and provide the technical results indicated in the description of the invention.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019137089A RU2717966C1 (en) | 2019-11-19 | 2019-11-19 | Static voltage converter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019137089A RU2717966C1 (en) | 2019-11-19 | 2019-11-19 | Static voltage converter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2717966C1 true RU2717966C1 (en) | 2020-03-27 |
Family
ID=69943180
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019137089A RU2717966C1 (en) | 2019-11-19 | 2019-11-19 | Static voltage converter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2717966C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2796644C1 (en) * | 2022-11-01 | 2023-05-29 | Глеб Германович Кравцов | Method of parallel-serial switching of unidirectional current sources using bus diodes |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2145145C1 (en) * | 1998-02-19 | 2000-01-27 | Научно-производственный центр "Полюс" | Voltage converter |
US6094365A (en) * | 1999-10-20 | 2000-07-25 | Chiao; Po-Lun | Power supply device of switching mode with leakage current protection circuit |
RU2345473C1 (en) * | 2007-10-02 | 2009-01-27 | Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения" (ОАО "ВЭлНИИ") | Dc-to-dc converter |
-
2019
- 2019-11-19 RU RU2019137089A patent/RU2717966C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2145145C1 (en) * | 1998-02-19 | 2000-01-27 | Научно-производственный центр "Полюс" | Voltage converter |
US6094365A (en) * | 1999-10-20 | 2000-07-25 | Chiao; Po-Lun | Power supply device of switching mode with leakage current protection circuit |
RU2345473C1 (en) * | 2007-10-02 | 2009-01-27 | Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения" (ОАО "ВЭлНИИ") | Dc-to-dc converter |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2796644C1 (en) * | 2022-11-01 | 2023-05-29 | Глеб Германович Кравцов | Method of parallel-serial switching of unidirectional current sources using bus diodes |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9998018B2 (en) | Resonant converters and methods | |
US9812977B2 (en) | Resonant converters with an improved voltage regulation range | |
CN203457053U (en) | Direct-current voltage converter, inverter and energy generation device | |
US7626834B2 (en) | Double ended converter with output synchronous rectifier and auxiliary input regulator | |
Tschirhart et al. | A CLL resonant asymmetrical pulsewidth-modulated converter with improved efficiency | |
US10381938B2 (en) | Resonant DC-DC converter | |
RU172182U1 (en) | Switching voltage converter | |
CA2853556C (en) | Double-rectifier for a multi-phase contactless energy transmission system | |
He et al. | Novel high-efficiency frequency-variable buck–boost AC–AC converter with safe-commutation and continuous current | |
KR20110076972A (en) | Converter circuit and unit and system comprising such converter circuit | |
RU2681839C1 (en) | Independent electric supply system | |
Kathiresan et al. | Novel high-power nonresonant multichannel LED driver | |
RU2717966C1 (en) | Static voltage converter | |
RU2345473C1 (en) | Dc-to-dc converter | |
JP6803993B2 (en) | DC voltage converter and how to operate the DC voltage converter | |
RU190083U1 (en) | DC Pulse Frequency Converter | |
RU105095U1 (en) | DEVICE FOR CONTROL OF ASYNCHRONOUS MOTOR | |
RU63620U1 (en) | DC / DC Converter | |
Shi | Full ZVS load range diode clamped three-level dc-dc converter with secondary modulation | |
Jinno et al. | An efficient active LC snubber for multi-output converters with flyback synchronous rectifier | |
RU2614045C1 (en) | Transistor inverter | |
RU2399145C1 (en) | Converter of frequency with explicit dc link | |
RU184367U1 (en) | Impulse voltage converter | |
Manikandan et al. | Implementation of high efficiency current-fed push-pull converter using soft switching technique | |
Chabert et al. | Multilevel converter with 2 stageconversion |