RU2785406C2

RU2785406C2 - High-voltage converter of alternating voltage into direct voltage with variable polarity

Info

Publication number: RU2785406C2
Application number: RU2021113427A
Authority: RU
Inventors: Артем Николаевич Щуров; Александр Алексеевич Пирожник; Александр Сергеевич Засыпкин
Original assignee: Артем Николаевич Щуров; Александр Алексеевич Пирожник; Александр Сергеевич Засыпкин
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2022-12-07

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: high-voltage converter of alternating voltage into direct voltage with variable polarity is proposed, consisting of a diode block, input and output capacitor blocks, different in that the diode block is fixed on a base made rotatable and is connected to input and output capacitor blocks via two blocks of sliding contacts. The converter additionally contains an electric engine, a shaft of which is connected to the base of the diode block, an input of the electric engine is connected to an output of a driver, to an input of which a controlling pulse generator and a terminal switcher, which is actuated by the base of the diode block, are connected.

EFFECT: increase in the reliability of operation of a high-voltage converter due to an increase in a number of breaks of a high-voltage circuit, which is equal to the multiplicity of voltage multiplication, as well as reduction in weight and dimensions due to the use of a rectifying circuit with the minimally required number of power supply sources, diodes, and capacitors, wherein the converter is included in a rectifier structure, and it does not impact on dimensions.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим высоковольтным преобразователям, и может быть использовано в высоковольтных установках постоянного напряжения с изменяемой полярностью выходного напряжения. В частности, в задачах по испытанию электрической прочности электротехнических материалов.The invention relates to electrical engineering, namely to electrical high-voltage converters, and can be used in high-voltage direct voltage installations with a changeable polarity of the output voltage. In particular, in the tasks of testing the electrical strength of electrical materials.

Для испытания электрической прочности некоторых электротехнических материалов, в частности «сшитого» полиэтилена, требуется использование постоянного напряжения с изменяемой полярностью для предотвращения формирования в материале изоляции объемных зарядов, возникновения локальных перенапряжений и повреждения изоляции испытываемого объекта после его ввода в работу.To test the electrical strength of some electrical materials, in particular "cross-linked" polyethylene, it is required to use a constant voltage with a changeable polarity to prevent the formation of space charges in the insulation material, the occurrence of local overvoltages and damage to the insulation of the tested object after it is put into operation.

Известен «Высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное с управляемой полярностью» (Патент RU 129317, опубл. 20.06.2013, МПК Н02М 7/155, Н02М 7/19, Н02М 7/217, Н02М 7/25), в котором постоянное напряжение с изменяемой полярностью на выходе преобразователя создается за счет двух разнополярных каналов преобразования в виде каскадных генераторов, связанных со схемой низковольтного электроснабжения. Выходы каскадных генераторов объединены и являются выводом высоковольтного преобразователя для подключения нагрузки.Known "High-voltage AC-to-DC converter with controlled polarity" (Patent RU 129317, publ. changeable polarity at the output of the converter is created due to two bipolar conversion channels in the form of cascade generators connected to the low-voltage power supply circuit. The outputs of the cascade generators are combined and are the output of a high-voltage converter for connecting the load.

К недостаткам этого устройства следует отнести сложность конструкции и большую массу, обусловленные необходимостью применения отдельного источника питания и выпрямителя на каждый из двух каналов преобразования, а также наличие резисторов в цепях диодов, значительно уменьшающих отдаваемую преобразователем мощность.The disadvantages of this device include the complexity of the design and large weight, due to the need to use a separate power source and rectifier for each of the two conversion channels, as well as the presence of resistors in the diode circuits, which significantly reduce the power output by the converter.

Известно «Устройство для умножения напряжения» (Авторское свидетельство SU 1515290, опубл. 15.10.1989, МПК Н02М 7/10). Устройство состоит из первого каскада умножения напряжения, к которому последовательно подключены дополнительные каскады умножения напряжения. Каждый дополнительный каскад состоит из двух пар последовательно соединенных диодов на двух цепочках емкостных накопителей из последовательно соединенных конденсаторов. С помощью коммутирующих элементов осуществляется последовательное или параллельное соединение соответствующих конденсаторов для обеспечения увеличения выходного напряжения по закону геометрической прогрессии с кратностью, равной трем.Known "Device for voltage multiplication" (Author's certificate SU 1515290, publ. 10/15/1989, IPC H02M 7/10). The device consists of a first voltage multiplication stage, to which additional voltage multiplication stages are connected in series. Each additional stage consists of two pairs of series-connected diodes on two chains of capacitive storage of series-connected capacitors. With the help of switching elements, the corresponding capacitors are connected in series or in parallel to ensure an increase in the output voltage according to the law of a geometric progression with a multiplicity of three.

Недостатками данного устройства являются невозможность получения постоянного напряжения с изменяемой полярностью на выходе преобразователя, зависимость отдаваемой преобразователем мощности от частоты переключения коммутаторов, которые технически сложно выполнить быстродействующими на высоком напряжении.The disadvantages of this device are the impossibility of obtaining a DC voltage with reversible polarity at the output of the converter, the dependence of the power output by the converter on the switching frequency of the switches, which are technically difficult to perform fast at high voltage.

Известен «Умножитель напряжения» (Авторское свидетельство SU 1248013, опубл. 30.07.1986, МПК Н02М 7/10). Устройство содержит входные и выходные выводы для подключения соответственно источника переменного напряжения и нагрузки и η параллельно включенных между собой ступеней умножения. Каждая ступень умножения, кроме первой, выполнена в виде последовательно соединенных первого вентиля, двух конденсаторов и второго вентиля, причем цепочка конденсаторов зашунтирована механическим переключателем, каждый из которых подвижным контактом подключен к общей точке соединения конденсаторов последующей ступени, а первым и вторым неподвижными контактами - соответственно к общей точке соединения первого вентиля с первым конденсатором и второго конденсатора с вторым вентилем предыдущей ступени. В первой ступени умножения диоды заменены на тиристоры. Аноды и катоды всех вентилей, а также входной и выходной выводы подключены к общей шине. В последней ступени умножения ключевой элемент отсутствует. Устройство обеспечивает получение на выходе повышенного напряжения как постоянного, так и переменного токов.Known "Voltage multiplier" (Author's certificate SU 1248013, publ. 07/30/1986, IPC H02M 7/10). The device contains input and output terminals for connecting an AC voltage source and a load, respectively, and η multiplication stages connected in parallel. Each multiplication stage, except for the first one, is made in the form of the first valve, two capacitors and the second valve connected in series, and the chain of capacitors is shunted by a mechanical switch, each of which is connected by a moving contact to a common connection point of the capacitors of the next stage, and by the first and second fixed contacts, respectively. to the common point of connection of the first valve with the first capacitor and the second capacitor with the second valve of the previous stage. In the first stage of multiplication, the diodes are replaced by thyristors. The anodes and cathodes of all gates, as well as the input and output terminals, are connected to a common bus. There is no key element in the last stage of multiplication. The device provides high voltage output of both direct and alternating currents.

К недостаткам такого решения можно отнести требование работы механических переключателей на частоте переменного напряжения источника питания, что технически сложно выполнить на высоком напряжении.The disadvantages of this solution include the requirement for mechanical switches to operate at the frequency of the alternating voltage of the power source, which is technically difficult to perform at high voltage.

Известен «Высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное с управляемой полярностью» (Авторское свидетельство SU 1815772, опубл. 15.05.1993, МПК Н02М 7/10), взятый за прототип.Known "High-voltage AC-to-DC converter with controlled polarity" (Author's certificate SU 1815772, publ. 05/15/1993, IPC H02M 7/10), taken as a prototype.

В прототипе несимметричный выпрямитель с умножением напряжения состоит из диодного блока, входного и выходного конденсаторных блоков, дополнительно содержит два одинаковых источника питания (трансформатор с расщепленной обмоткой высокого напряжения), двухполюсный высоковольтный коммутатор для переключения обмоток высокого напряжения трансформаторов и низковольтный коммутатор для переключения обмоток низкого напряжения трансформаторов. Полярность выходного напряжения задается положением коммутаторов.In the prototype, an unbalanced rectifier with voltage multiplication consists of a diode block, input and output capacitor blocks, additionally contains two identical power supplies (a transformer with a split high voltage winding), a two-pole high-voltage switch for switching high-voltage windings of transformers and a low-voltage switch for switching low-voltage windings transformers. The polarity of the output voltage is set by the position of the switches.

Недостатком прототипа является наличие громоздкого высоковольтного переключателя, коммутирующего цепь высокого напряжения, что отрицательно сказывается на надежности работы преобразователя напряжения, его массе и габаритах.The disadvantage of the prototype is the presence of a bulky high-voltage switch that switches the high voltage circuit, which adversely affects the reliability of the voltage converter, its weight and dimensions.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения надежности работы высоковольтного переключателя, а также снижения массы и габаритов преобразователя переменного напряжения в постоянное с изменяемой полярностью.The present invention solves the problem of increasing the reliability of the high-voltage switch, as well as reducing the weight and dimensions of the AC-to-DC converter with changeable polarity.

Техническим результатом, направленным на повышение надежности работы высоковольтного переключателя, является увеличение количества разрывов высоковольтной цепи, которое равно кратности умножения напряжения, а снижение массы и габаритов достигается за счет использования выпрямительной схемы с минимально необходимым количеством источников питания, диодов и конденсаторов, причем переключатель входит в конструкцию выпрямителя и не влияет на габаритные размеры.The technical result, aimed at improving the reliability of the high-voltage switch, is to increase the number of breaks in the high-voltage circuit, which is equal to the multiplication factor of the voltage, and the reduction in weight and dimensions is achieved through the use of a rectifier circuit with the minimum required number of power supplies, diodes and capacitors, and the switch is included in design of the rectifier and does not affect the overall dimensions.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное с изменяемой полярностью выполнен в виде несимметричного выпрямителя с умножением напряжения, состоящего из диодного блока, входного и выходного конденсаторных блоков, причем диодный блок закреплен на основании, выполненным вращающимся, и соединен с входным и выходным конденсаторными блоками через два блока скользящих контактов, дополнительно содержит электродвигатель, вал которого соединен с основанием диодного блока, вход электродвигателя подключен к выходу драйвера, к входу которого подключены управляющий генератор импульсов и концевой выключатель, который приводится в действие основанием диодного блока.The technical result of the invention is achieved due to the fact that the high-voltage AC/DC converter with changeable polarity is made in the form of an asymmetric rectifier with voltage multiplication, consisting of a diode block, input and output capacitor blocks, and the diode block is fixed on a rotating base and connected with input and output capacitor units through two blocks of sliding contacts, additionally contains an electric motor, the shaft of which is connected to the base of the diode block, the input of the electric motor is connected to the output of the driver, to the input of which a control pulse generator and a limit switch are connected, which is driven by the base of the diode block.

На фиг. 1 представлена функциональная схема высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное с изменяемой полярностью.In FIG. 1 shows a functional diagram of a high-voltage AC/DC converter with reversible polarity.

На фиг.2 представлена временная диаграмма напряжения на выходе высоковольтного преобразователя.Figure 2 shows the timing diagram of the voltage at the output of the high-voltage converter.

Где:Where:

1 - источник питания высоковольтного преобразователя напряжения;1 - power supply of a high-voltage voltage converter;

2 - входной конденсаторный блок;2 - input capacitor unit;

3 - выходной конденсаторный блок;3 - output capacitor unit;

4 - блоки скользящих контактов;4 - blocks of sliding contacts;

5 - диодный блок;5 - diode block;

6 - основание диодного блока;6 - base of the diode block;

7 - управляющий генератор импульсов;7 - control pulse generator;

8 - драйвер;8 - driver;

9 - электродвигатель;9 - electric motor;

10 - вал электродвигателя;10 - motor shaft;

11 - концевой выключатель;11 - limit switch;

12, 13 - выходные клеммы.12, 13 - output terminals.

Высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное с изменяемой полярностью содержит источник питания высоковольтного преобразователя напряжения 1 переменным напряжением заданной амплитуды и частоты, диодный блок 5, входной 2 и выходной 3 конденсаторные блоки. Высоковольтный преобразователь дополнительно включает электродвигатель 9, вход которого подключен к выходу драйвера 8, к входу которого подключены управляющий генератор импульсов 7 и концевой выключатель 11, диодный блок 5 закреплен на основании 6, выполненным вращающимся и механически связанным с валом 10 электродвигателя 9, а концевой выключатель 11 выполнен с возможностью размыкания его контактов (на фиг. 1 позицией не обозначено) в момент замыкания блоков скользящих контактов 4 при повороте основания 6 диодного блока 5, соединенного через блоки скользящих контактов 4 с входным 2 и выходным 3 конденсаторными блоками. Питание нагрузки (на фиг. 1 позицией не обозначено) выходным напряжением высоковольтного преобразователя осуществляется от выходных клемм 12, 13 при замкнутом положении блоков скользящих контактов 4.SUBSTANCE: high-voltage AC-to-DC converter with changeable polarity contains power source of high-voltage voltage converter 1 with alternating voltage of given amplitude and frequency, diode block 5, input 2 and output 3 capacitor blocks. The high-voltage converter additionally includes an electric motor 9, the input of which is connected to the output of the driver 8, to the input of which the control pulse generator 7 and the limit switch 11 are connected, the diode block 5 is fixed on the base 6, which is made rotating and mechanically connected to the shaft 10 of the electric motor 9, and the limit switch 11 is configured to open its contacts (in Fig. 1, the position is not indicated) at the moment of closing the sliding contact blocks 4 when the base 6 of the diode block 5 is turned, connected through the sliding contact blocks 4 to the input 2 and output 3 capacitor blocks. The load (in Fig. 1 not indicated by the position) is powered by the output voltage of the high-voltage converter from the output terminals 12, 13 when the blocks of sliding contacts 4 are closed.

Работа высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное с изменяемой полярностью осуществляется следующим образом. В момент времени t₁, соответствующий началу работы высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное с изменяемой полярностью, при замкнутом положении блоков скользящих контактов 4 происходит включение источника питания высоковольтного преобразователя напряжения 1 и подача переменного напряжения заданной амплитуды и частоты на входные клеммы преобразователя (на фиг. 1 позицией не обозначено). В исходном положении диодов (на фиг. 1 позицией не обозначено) диодного блока 5 на фиг. 1 при подаче напряжения от источника питания высоковольтного преобразователя напряжения 1 начинается заряд входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков, полярность на верхних обкладках конденсаторов (на фиг. 1 позицией не обозначено) и напряжение на выходной клемме 12 будут положительными. Величина напряжения на выходных клеммах 12, 13 задается источником питания высоковольтного преобразователя напряжения 1 и кратностью умножения напряжения. В момент времени t₂заканчивается заряд входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков. Время заряда от момента t₁ до момента t₂ определяется мощностью источника питания высоковольтного преобразователя напряжения 1, емкостью конденсаторов входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков, а также емкостью нагрузки. Одновременно в момент времени t₁ включается управляющий генератор импульсов 7, который подает сигнал на драйвер 8 электродвигателя 9. В момент времени t₃ драйвер 8 электродвигателя 9 осуществляет подачу питания на электродвигатель 9. От вала 10 электродвигателя 9 приводится во вращение основание 6 диодного блока 5 и размыкаются блоки скользящих контактов 4. Высоковольтная цепь разрывается блоками скользящих контактов 4, количество разрывов равно кратности умножения напряжения. В момент времени t₄, в результате поворота основания 6 диодного блока 5 на 180 градусов вокруг своей оси, замыкаются блоки скользящих контактов 4 и происходит размыкание контактов концевого выключателя 11 основанием 6 диодного блока 5. Драйвер 8 электродвигателя 9 прекращает подачу питания на электродвигатель 9, вращение основания 6 диодного блока 5 на 180 градусов вокруг своей оси останавливается. В момент времени t₄ начинается и в момент времени t₅ заканчивается разряд входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков через сопротивление диодов в прямом направлении. Время разряда от момента t₄ до момента t₅ зависит от емкости конденсаторов входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков и сопротивления диодов в прямом направлении. В момент времени t₅ от источника питания высоковольтного преобразователя напряжения 1 начинается заряд входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков, полярность на верхних обкладках конденсаторов и напряжение на выходной клемме 12 будут отрицательными. Происходит смена полярности напряжения на выходе высоковольтного преобразователя. В момент времени t₆ заканчивается заряд входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков. В момент времени t₇ драйвер 8 электродвигателя 9 осуществляет подачу питания на электродвигатель 9. От вала 10 электродвигателя 9 приводится во вращение основание 6 диодного блока 5 и размыкаются блоки скользящих контактов 4. В момент времени t₈ замыкаются блоки скользящих контактов 4 и происходит размыкание контактов концевого выключателя 11 основанием 6 диодного блока 5. Драйвер 8 электродвигателя 9 прекращает подачу питания на электродвигатель 9, вращение основания 6 диодного блока 5 на 180 градусов вокруг своей оси останавливается. В момент времени t₈ начинается и в момент времени t₉ заканчивается разряд входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков через сопротивление диодов в прямом направлении. В момент времени t₉ от источника питания высоковольтного преобразователя напряжения 1 начинается заряд входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков, полярность на верхних обкладках конденсаторов и напряжение на выходной клемме 12 будут положительными. Происходит смена полярности напряжения на выходе высоковольтного преобразователя. Далее процессы циклически повторяются.The operation of a high-voltage AC/DC converter with reversible polarity is carried out as follows. At the time t ₁ corresponding to the start of operation of the high-voltage AC/DC converter with variable polarity, with the sliding contact blocks 4 in the closed position, the power source of the high-voltage voltage converter 1 is turned on and an alternating voltage of a given amplitude and frequency is supplied to the input terminals of the converter (in Fig. 1 position is not indicated). In the initial position of the diodes (in Fig. 1, the position is not indicated) of the diode block 5 in Fig. 1, when voltage is applied from the power source of the high-voltage voltage converter 1, the charge of the input 2 and output 3 capacitor units begins, the polarity on the upper plates of the capacitors (not indicated in Fig. 1 by a position) and the voltage at the output terminal 12 will be positive. The voltage value at the output terminals 12, 13 is set by the power supply of the high-voltage voltage converter 1 and the voltage multiplication factor. At time t ₂ ends the charge of the input 2 and output 3 of the capacitor units. The charge time from the moment t ₁ to the moment t ₂ is determined by the power of the power supply of the high-voltage voltage converter 1, the capacitance of the capacitors of the input 2 and output 3 capacitor units, as well as the load capacitance. At the same time, at time t ₁ , the control pulse generator 7 is turned on, which sends a signal to the driver 8 of the electric motor 9. At time t _3, the driver 8 of the electric motor 9 supplies power to the electric motor 9. The base 6 of the diode block 5 is driven from the shaft 10 of the electric motor 9 and blocks of sliding contacts 4 open. The high-voltage circuit is broken by blocks of sliding contacts 4, the number of breaks is equal to the multiplication of the voltage. At time t ₄ , as a result of the rotation of the base 6 of the diode block 5 by 180 degrees around its axis, the blocks of sliding contacts 4 are closed and the contacts of the limit switch 11 are opened by the base 6 of the diode block 5. The driver 8 of the electric motor 9 stops supplying power to the electric motor 9, the rotation of the base 6 of the diode block 5 by 180 degrees around its axis stops. At time t ₄ begins and at time t ₅ ends the discharge of the input 2 and output 3 of the capacitor units through the resistance of the diodes in the forward direction. The discharge time from the moment t ₄ to the moment t ₅ depends on the capacitance of the capacitors of the input 2 and output 3 capacitor units and the resistance of the diodes in the forward direction. At the time t ₅ from the power source of the high-voltage voltage converter 1, the charge of the input 2 and output 3 capacitor units begins, the polarity on the upper plates of the capacitors and the voltage at the output terminal 12 will be negative. There is a change in the polarity of the voltage at the output of the high-voltage converter. At time t ₆ ends the charge input 2 and output 3 of the capacitor units. At the time t ₇ the driver 8 of the electric motor 9 supplies power to the electric motor 9. From the shaft 10 of the electric motor 9 the base 6 of the diode block 5 is rotated and the blocks of sliding contacts 4 are opened. At the time t ₈ the blocks of sliding contacts 4 are closed and the contacts are opened limit switch 11 by the base 6 of the diode block 5. The driver 8 of the electric motor 9 stops supplying power to the electric motor 9, the rotation of the base 6 of the diode block 5 by 180 degrees around its axis stops. At time t ₈ begins and at time t ₉ ends the discharge of the input 2 and output 3 of the capacitor units through the resistance of the diodes in the forward direction. At the time t ₉ from the power source of the high-voltage voltage converter 1, the charge of the input 2 and output 3 capacitor units begins, the polarity on the upper plates of the capacitors and the voltage at the output terminal 12 will be positive. There is a change in the polarity of the voltage at the output of the high-voltage converter. Further, the processes are cyclically repeated.

В реальных практических задачах, в частности задачах по испытанию электрической прочности электротехнических материалов, время заряда от момента t₁ до момента t₂, от момента t₅ до момента t₆ и время разряда от момента t₄ до момента t₅, от момента t₈ до момента t₉ существенно меньше времени заряженного состояния входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков от момента t₂ до момента t₄, от момента t₆ до момента t₈.In real practical problems, in particular problems of testing the electrical strength of electrical materials, the charge time from the moment t ₁ to the moment t ₂ , from the moment t ₅ to the moment t ₆ and the discharge time from the moment t ₄ to the moment t ₅ , from the moment t ₈ up to the moment t ₉ is significantly less than the time of the charged state of the input 2 and output 3 capacitor units from the moment t ₂ to the moment t ₄ , from the moment t ₆ to the moment t ₈ .

В предлагаемом устройстве повышается надежность работы высоковольтного переключателя за счет увеличения количества разрывов высоковольтной цепи, которое равно кратности умножения напряжения, а также снижаются масса и габариты за счет использования выпрямительной схемы с минимально необходимым количеством источников питания, диодов и конденсаторов, а переключатель входит в конструкцию выпрямителя и не влияет на габаритные размеры.The proposed device increases the reliability of the high-voltage switch by increasing the number of breaks in the high-voltage circuit, which is equal to the multiplication factor of the voltage, and also reduces the weight and dimensions by using a rectifier circuit with the minimum required number of power supplies, diodes and capacitors, and the switch is included in the design of the rectifier and does not affect the overall dimensions.

Claims

A high-voltage AC/DC converter with changeable polarity, consisting of a diode block, input and output capacitor blocks, characterized in that the diode block is fixed on a rotating base and connected to the input and output capacitor blocks through two blocks of sliding contacts, additionally contains an electric motor, the shaft of which is connected to the base of the diode block, the input of the electric motor is connected to the output of the driver, to the input of which a control pulse generator and a limit switch are connected, which is driven by the base of the diode block.