Тиристорный инвертор напряжения с искусственной коммутацией

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в тяговых приводах электровозов переменного тока с асинхронными двигателями. Цель изобретения улучшение энергетических показателей путем канализации избыточной энергии коммутации в нагрузку или в источник постоянного напряжения. Устройство содержит тиристоры 3-20, образующие трехфазные мосты. Узел 29 принудительной коммутации подключен к источнику питания 25. Устройство позволяет исключить накопление избыточной энергии в конденсаторах узла 29, обеспечивая более высокие энергетические показатели. 4 ил.

СОЮЗ С08ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (111 (1)5 Н 02 И 7/515

ГОСУДАРСТВЕННЬ1Й НОМИТЕТ

ПО ИЗОН ЕТЕНИЯМ И ОЩ 1:ГГИЯМ

ПГИ П НТ СССР (21) 4210076/24-07 (22) 10„03.87 (46) 30.06.90. Бюл. М 24. (7i) Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт комплектного электропривода (72) Г.H.Коваливкер, Г„В.Кузина и О.И.Иатнев (53) 621.314,572(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 868954, кл. Н 02 11 7/515, 1979., Авторское свидетельство СССР

И - 608242, кл. Н 02 М 7/515, 1976.

Авторское свидетельстно СССР

Ф 1302406, кл. Н 02 М 7/515, !985. (54) ТИРИСТОРНЫЙ .HHHFРТОР НАПРЯЖЕНИЯ

С ИСКУССТВЕННОЙ КОКЧУТАЦИЕЙ

2 (57) Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в тяговых приводах эпектронозон переменного тоха с асинхронными двигателями. Целью изобретения является улучшение энергетических показателей путем канализации избыточной энергии коммутации в нагрузку или н источник постоянного напряжения.

Устр-но содержит тиристоры 3-20, образующие трехфазные моста|. Узел 29 принудительной коммутации подключен к источи ку 1 питания, Устр-во позволяет исключить накопление избыточной энергии н конденсаторах узла 29, обеспечиная более высокие энергетические показатели. 4 ил.

1575279

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в тяговых приводах электровозов переменного тока с асинхронным

Р двигателем.

Цель изобретения — улучшение энергетических показателей путем канализации избыточной энергии коммутации в нагрузку или в источник постоянного 10 напряжения.

На фиг.1 приведена принципиапьная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 — диаграмма импульсов управления, поясняющая работу устройства, а также кривые импульсов тока и напряжения на коммутирующих конденсаторах; на фиг.3 — функциональная схема одного из возможных вариантов блока управления тиристорами; на фиг.4 диаграмма импульсов, поясняющая работу блока управления, Тиристорный инвертор напряжения с искусственной коммутацией содержит основные шины источника 1 питания, инвертор 2, состоящий из тиристоров

3-20, причем тиристоры 3,4,9,10,15 и

16 объединены в главный тиристорный мост, тиристоры 7,10,13,16„19 и 20

1 объединены в обратный тиристорный мост. Выводы переменного. тока тиристорных мостов объединены и подсоединены к выводам трехфазной нагрузки

21 (фаза А-22, фаза В-23, фаза С-24)р мосты главных и обратных тиристоров объединены по выводам постоянного тока и подсоединены к основнымшинам питания источника 1. В состав тиристорного инвертора входят однофазный тиристорный мост 25 с фильтровым конденсатором 26 на выходе, входом через клеммы 27 и 28 подключенный к питающей сети, узел 29 принудительной коммутации (УПК), подключенный выводами 3037 к соответствующим основным шинам питания источника 1, к выводам однофаэного тиристорного моста 25 и к выводам постоянного тока распределитель. ного 5, 6, 11, 12, 17 и 18 тиристорного моста.

5О

Узел 29 принудительной коммутации содержит развязывающие диоды 38 и 39, подсоединенные к выводам 32 и 35,две йары 40, 41 и 42, 43 согласно последовательно включенных коммутирукицих ти55 ристоров, подсоединенных общими точками соединения анодов и катодов к соответствующия выводам развязывающих диодов 38 и 39, два зарядных тиристора 44, 45, подсоединенных одними анодом и катодом к выводам 32, 35 и другими анодом и катодом к общим точкам соединения пар согласно последовательно включенных коммутирующих тиристоров, две коммутирующие LC-цепи 46, 47, и 48, 49, включенйые последовательно через разделительный диод 50, подключенные одними выводами к общим точкам пар коммутирующих тиристоров, два двух операционных тири тора 51 и 52 сброса, подсоединенных одними выводами к общим точкам соединения конденсаторов и реакторов LC-цепей и другими выводами к основным нинам питания источника 1, два зарядных тиристора

53 и 54 подсоединенных к выводам 32 и 35 и к другим выводам коммутирующих

LC-цепей, коммутирующий трансформатор, состоящий из обмоток 55-57 подсоединенных одними выводами двух первичных обмоток 55 и 56 к выводам постоянного тока моста распределительных тиристоров и разцелительному

1 диоду 50, два диода 58 и 59 связи, соединяющие выводы коммутирующих тиристоров с основными шинами питания, два разрядных 60.и 61 и четыре обратных 62-65 диода, подсоединенных к общим точкам соединения анодов и катодов коммутирующих тиристоров 40-43, к другим выводам первичных обмоток коммутирующего трансформатора и к выводам его вторичной обмотки.

В состав тиристорного инвертора напряжения с искусственной коммутацией входит блок 66 управления тиристорами, включающий в себя узлы 67—

82.

Блок управления (фиг,3) содержит регулятор 67 частоты, на вход которого подается сигнал задания U>, распределитель 68 импульсов управления, соединенный входами с выходами регулятора частоты, выходами через усилительно-развязывающие.элементы 69 с управляющими входами распределительных тиристоров 5, 6, 11, 12, 17 и 18, через логический элемент ИЛИ

70 с управляющими входами коммутирунзцих тиристоров 40 и 43, включающих первые по очередности перезаряда ЬСцепи, через одновибратор 71, формирующий задержку (2/38), и усилительно-развязывающий элемент 74 с управляницими входами коммутирующих тиристоров 42 и 43, включающих вторые по очередности перезаряда LC-цепи, че5

4С

55 в источник 1.

5 157 рез одновнбратор 72, формирующий задержку 2С, и усилительно-развязывающие элементы 75 и 77 с управляющими входами зарядных тиристоров 44, 45, 53 и 54 через одновибраторы 73, формирующие задержку 7/b i и усилительно-развязывающие элементы 76 с управляющими входами тиристоров 79 управления, соединенных последовательно с оптоэлектронными парами 80.

Выходы оптоэлектронных пар подсоединяются к одному из входов логических элементов ИЛИ 81. Вторые входы логических элементов подсоединяются через усилительно-развязывающие элементы 78 с выходами одновибраторов

72, Выходы логических элементов ИЛИ соединяются через усилительно-развязывающие элементы 82 с управляющими входами двухоперационных тиристоров

51 и 52.

Согласно диаграмме импульсов управления (фиг.2) тнристорный инвертор напряжения с искусственной коммутацией работает следующим образом.

Предположим, что на интервале времени — включены главные тирисо торы инвертора 3, 9 и 16 и ток нагрузки замыкается по цепям +1, 3,22, 24, 16, -!; + l, 9, 23, 24, 16, — 1. При этом . конденсаторы LC-цепей узла принудительной коммутации заряжены полярностью напряжения с плюсом на правой обкладке. В момент времени t выклю-: чают тиристор 3. Для этого включают тиристоры 5 и 40 и конденсатор .46 перезаряжается по цепи: 46,47,50,30,5, 3,31,58,40,46, вытесняя колебательным перезарядом ток из тиристора 3. В момент времени t ток перезаряда кон1 денсатора 46 становится равен току нагрузки, вследствие чего тиристор 3 выключается, и избыточный ток конденсатора 46 замыкается по контуру 46, 47,50,55,60,40. При этом напряжение первичной обмотки коммутирующего трансформатора (55) прикладывается к выключаемому тиристору 3 на время восстановления его вентильных свойств: плюс 55 прикладывается по цепи тиристора 6 к катоду тиристора 3, минус

55 через диоды 60 и 58 к аноду тиристора 3. При этом ток нагрузки замыкается по цепи: плюс источника питания lв58 40в46 47э50ь,30э5 22э24эl6 минус источника 1 питания, В момент времени со сдвигом, . равным 2/3 полупериода колебательного

5279 6 контура, образ ованного LC öåïÿìè 46, 47, 48, 49, включается тиристор 42, и ток нагрузки переводится из LC-цепи 46, 47,в LC-цепь 48, 49 плюс 1,58, 42,48,49,30,65,22,24,16 минус 1. Избыточный ток перезаряда конденсатора

48 замыкается по цепи: 48, 49, 55, 60, 42, 48, вследствие чего при перезаряде конденсатора 48 к тиристору 3 прикладывается падение напряжения обмотки 55 коммутирующего трансформатора.

В момент времени t3 конденсатор первой по очередности LC-цепи (46,47) заканчивает перезаряд и тиристор 40 вос" станавливает вентипьные свойства по цепи: 46,40,60,55,50,47,46 °

В момент времени t избыточный ток перезаряда конденсатора 48 достигает по величине тока нагрузки, вследствие чего ток в обмотке 55 коммутирующего трансформатора прекращается. При этом на интервале t — t если напряжение на конденсаторе 48 ниже, чем напряжение источника 1 питания, идет дозаряд конденсатора 48 током нагрузки. В момент tz, когда напряжение на конденсаторе превышает напряжение на выходе моста 25 на величину напряжения, необходимую для восстановления вентильных свойств коммутирующих тиристоров, включается тиристор 52 и избыточная энергия, запасенная в коммутирующем реакторе током нагрузки, канализируется в нагрузку по цепи:49, 5,22,24,16,36,52,49. При этом напряжение на конденсаторе 48 ограничивается на уровне, незначительно превышающим напряжение конденсатора 26 (см, кривую U 43 ° фиг 2 ), Таким образом, избыточная энергия коммутации, запасенная в реакторе, канализируется не в фильтровой конденсатор источника питания, а в нагрузку 21. При этом возможна также канализация избыточной энергии коммутации не в нагрузку, а в источник

1 питания. Для этого одновременно с тиристором сброса включают обратный тиристор 7, и избыточная энергия, запасенная в реакторе, передается в источник 1 питания по контуру 49,30, 5,7,1,36,52,49.

Таким образом, подключение двухоперационных тиристоров сброса позволяет канализировать избыточную энергию коммутации в нагрузку 21 или

1575279

Согласно диаграмме управления (см. фиг.2) в момент включения двухоперационного тиристора сброса подается импульс управления на обратный тиристор 8 и по мере спада тока нагрузки в реакторе 49 реактивная энергия, запасенная в фазе 22, замыкается по цепи: 22,24 16,8,22.

В момент времени t ток в реакторе

49 падает до нуля и процесс выключения тиристора заканчивается. В момент времени t включают зарядные тирис7 торы 44 и 54 и производят дозаряд конденсатора 46 по цепи: 26,32,44,46, 1

47,50,54,35,26, Одновременно с дозарядом подают импульс управления на управляющий переход тиристора 52 и восстанавливают его по цепи управления. Согласно диаграмме управления одновременно с импульсом управления на обратный тиристор подают импульс управления на очередной главный тиристор 4. При этом по окончании спада тока в обратном тиристоре 8 ток в фа- 25 эе 22 меняет знак и замыкается по цепи: 1,9,23,22,4,1. На этом процесс выключения тиристора 3 заканчивается. Поскольку напряжение на конден саторе 48 выше по окончании коммутации, чем напряжение источника 1 питания, то цепь, состоящая из вентилей

42, 58,5 выключается по контуру +48, 42,58,1,8,5,30,49,48. При этом для восстановления вентильных свойств

35 тиристоров сброса отсутствует необходимое обратное напряжение, вследствие чего в момент времени t на двухоперационный тиристор 52 сброса дополнительно подают импульс управления и выключают его по цепи управления. При включении двухоперационных тиристоров сброса перезаряд конденсаторов 46 и 48 прекращается, а включение тиристоров возможно при достижении на конденсаторах 46 и 48 напряжения источника 1 питания. Тогд@ начинается процесс выключения ком" мутирующих тиристоров (например 42), ЭДС реакторов меняет знак (минус на катоде тиристора 52) и создаются ус" ловия для включения двухоперационных тиристоров сброса. Поэтому, если источник питания на входе инвертора напряжения регулируемый и напряжение на входе инвертора мало, то двухоперационные тиристоры сброса могут включаться прежде,.чем напряжение на коммутирукицих конденсаторах достигнет напряжения источника питания, а это приводит к снижению коммутирующей способности УПК при очередной коммутации и к необходимости дозаряжать коммутирующие конденсаторы цепью с регулируемым затуханием. Поэтому формирователь сигналов управления построен таким образом, что импульсы управления на двухоперационные тиристоры сброса подаются при достижении на конденсаторе 48 напряжения источника. Г!ри этом, за время включения тиристора 52 (примерно равно 3—

5 мкс) конденсатор 48 зарядится до напряжения, превышающего U на величину U равнув 40-100 Б, необходимую для восстановления вентильных свойств распределительных и коммутирующих тиристоров.

Процесс выключения тиристоров катодной группы инвертора напряжения рассмотрим на примере выключения тиристора 16, Для выключения тиристора

16 в момент времени включают (см. фиг.2) коммутирующий тиристор 43 и распределительный тиристор 18. При этом ток нагрузки из тиристора 16 вытесняется колебательным перезарядом тока конденсатора 48 по контуру:48, 43,59,16,18,50,49,48. В момент спада тока в тиристоре 16 до нуля избыточный ток перезаряда конденсатора 48 замыкается по контуру: 48,43,61,56, 50,49,48, создавая на обмотке коммутирующего трансформатора 56 необходимое для восстановления вентильных свойств тиристоров 16 обратное напряжение, прикладываемое по цепи: плюс 56 через 61,59, к катоду 16, ми" нус 56 через 18 к аноду 16. В момент включаются тиристор 41 и конto денсатор 46 разряжается по цепи: 46, 41,61,56,47,46. В момент времени избыточный ток перезаряда 46 становится равен току нагрузки, вследствие чего ток в обмотке 56 коммутирующего трансформатора прекращается и конденсатор 46 перезаряжается током нагрузки по контуру: плюс 1,9 23 24, 18,47,46,41,59 минус I ° В момент когда напряжение на конденсаторе достигает напряжения источника питания

УПК, включается двухоперационный тиристор 51 сброса. При этом энергия, запасенная током нагрузки в реакторе

47, при включении тиристора 51 передается в нагрузку по цепи: 47,51,9,23, 24, 18, 47. При включении дополнитель1575279

10 но обратного тиристора 19 энергии, запасенная н реакторе, может передаваться в источник питания по контуру:

47,51,1,20,18,47. B момент времени ток н реакторе 47 и н конденса з торе 46 спадает до нуля, и процесс коммутации заканчивает я. В момент времени t 1 включают зарядные тиристоры 53 н 45 и осуществляют дозаряд первого по очередности перезаряда конденсатора 48 по цепи: 26,53, 50,49,48,45,26. В момент времени (см.фиг.2) процесс дозаряда заканчивается. Из описания работы устройства следует, что избыточная энергия, запасенная током нагрузки в реакторе, передается без промежуточных преобразований в нагрузку 25 или источники

1 и таким образом улучшаются энергетические показатели предлагаемого устройства.

Блок управления тиристорами согласно диаграмме (см,фиг.4) работает следующим образом.

С выхода регулятора 67 частоты на входы распределителя импульсов 68 управления поступают положительные и отрицательные, нормированные и сдвинутые во времени импульсы управле+П +0 +Uc Up US LIc равные по длительности полупериоду выходной частоты устройства.

По задним фронтам этих импульсов распределитель 68 формирует импульсы, поступающие на элемент 69. С выхода элемента 69 импульсы управления поступают на распределительные тиристоры 6, 11, 17 анодной и на тиристоры 6, 12, 18 катодной группы, с выхода элемента 70 — на коммутирующий тиристор 40 первой LC-цепи. Однонибратор 71 формирует импульс, равный по длительноСти интервалу времени

По заднему фронту импульса элементы 71 и 74 формируют импульс, поступакиций на коммутирующий тиристор 42 второй по очередности перезаряда ЬС-цепи.

Одйовибратор 73 формирует импульс по длительности, равный 5 i/Ü (где =2 Г YLC — собственный период колебательного контура, образованный

ЕС-цепями 46,47или 48,49),поступающий на элементы 76 и выдающий импульс управления на тиристор 79 управления. Пока напряжение на конденсаторе 48 ниже,чем напряжениена конденсаторе 26 (см.фиг.1), тиристор 79 заперт, вследствие чего не включается днухоперационный тиристор 51 сброса.

В момент времени, когда напряжение

5 на конденсаторе 48 сравняется с наI пряжением конденсатора 26, начинается процесс включения тиристора 42 и включения тиристора 79 ° При включении тиристора 79 сигнал с оптоэлектронной пары 80 подается на элемент

ИЛИ 81 и с выхода элемента 82 импульс управления подается на двухоперационный тиристор 52 сброса. Таким образом, независимо от тока на15 грузки импульсы управления на двухоперационные тиристоры сброса подаются в момент достижения на конденсаторе 48 напряжения, превышаюцего напряжение конденсатора 26. С интервалом времени, равным по длительности или 2, однонибратор 72 подает импульсы управления на усилительные разнязывающие элементы 75,77,78, Ко торые включают зарядные тиристоры 44, 54, в результате чего осуцествляется дозаряд первой LC-цепи. Кроме того, элемент 78 выдает импульс управления на элемент ИЛИ 81 и элемент 82 подает отрицательный импульс управления

ЗО на тиристор 52 и восстанавливает его вентнльные снойства по цепи управления.

Формул а из обретения

Тиристорный инвертор напряжения с искусственной коммутацией, содержащий главные, обратные и распределительные тиристорные мосты, объединен4р ные соответственно по выводам переменного, причем мосты гланных и обратных тиристорон объединены по выводам постоянного тока и подсоединены к основным шинам питания, однофазный ти45 pHcTopHbIH мОст с фильтрОным кОнденса тором на ныходе, входом подключенный к питающей сети, две пары согласно последовательно включенных коммутирующих тиристоров, подсоединенных общими точками соединения анодон н ка тодов к выходным шинам однофазного тиристорного моста через встречно включенные развязываюцие диоды, два разрядных и четыре обратных диода, подсоединенных своими соответствуняцими выводами к упомянутым выше общим точкам соединения анодов и като. дов коммутируюцих тиристоров, две последовательно включенные через ваз11

15 делительный диод коммутирующие LC-цепи, состоящие из последовательно соеииненных коммутируюцих конденсаторов и реакторов, подключенные своими выводами к соответствуюцим точкам соединения коммутируюцих тиристоров каждбй пары, две пары встречно последовательно включенных анодами и катодами зарядных тиристоров, подсоединенных общими точками соединения анодов и катодов к выходным шинам однофазного тиристорного моста, а другими анодами и катодами - к соответствующим выводам LC-цепей,,коммутирующий трансформатор, подсоединенный своими соответствующими выводами двух первич ных и вторичной обмоток к выводам постоянного тока моста распределительных тиристоров, к выводам разрядных и возвратных диодов, а также к разделительному диоду, двух тиристоров управления, подсоединенных одними соответствуюцими выводами к общим точкам соединения пар коммутирующих конденсаторов и реакторов, два диода связи, соединяющие обцие точки соединения анодов и катодов коммутирующих тиристоров и основные шины питания, блок управления тиристорами, содержаций регулятор частоты, формирующий согласно заданию последовательности прямоугольных положительных U> è отрицательных U нормированных и сдвинутых во времени импульсов, где j — фазный индекс, распределитель импульсов управления, сое диненный входами с выходами регулятора частоты, формирующий по передним фронтам импульсов U> и V> выходные им пульсы, определяемые следующими выражениями:

1 8 Ао 1 Ло Л 4о 6

Ф. — Ф Ф 4 9 6 Е 41 С! 6 4 =Uc > по задним фронтам импульсов U и 6 выходные импульсы, определяемые следующими. выр ажениями: о о о — о М 11А э 44 116 е <5 1)с о 14 1 А в

Р -o

Ftò 1 6 ° rs Uc o а также выходные импульсы, определяемые логическими выражениями:

75279

114 U8 Uc F ae 1-1 А 11 6 1.1с >

)эF„=F „ (t де, =2/3 le F,=Р „(е-д, с задержкой

И =2 : Fgg =Р, (t

F Z4 о (t 4 т1, с задержкой

Ф =7/6<: Fgg=Fqy (с-с1 ) и F i 4=0 то (t ht>)1!

50 и выходные импульсы с задержкой где F, — F < — логические выражения, определяющие управление главными тиристорами, F 7- F, - обратными, F

F — распределительными, F „,Р коммутирующими тиристорами первой по очередности перезаряда LC-цепи, F и F gg - коммутируюцими тиристорами второй по; очередности перез аряда LCцепи, Fqq, Y 4 — зарядными тиристорами и F qg, F, — тиристорами управления, а управляющие входы соответствующих тиристоров связаны с выходами распределителя импульсов управления, где — длительнбсть переэаряда коммутирующего контура, образованного одной LC-цепью с коммутирующими и разрядными диодами, о т л и ч а ю— шийся .тем, что, с целью улучшения энергетических показателей путем канализации избыточной энергии коммутации в нагрузку или в источник постоянного напряжения, он дополнительно снабжен двумя двухоперационными тиристорами сброса, соответствующие выводы которых подсоединены к

\ общим точкам соединения конденсаторов и реакторов коммутирующих LC-цепей и к основным шинам питания, а в блок управления тиристорами дополнительно введены две оптоэлектронные пары, соответствующие входные выводы которых подсоединены к выходам шинам однофазного тиристорного моста и к другим выводам упомянутых тиристоров управления, два логических элемента типа ИЛИ, входные выводы которых подсоединены к выходным выводам соответствующих оптоэлектронных пар и тем выходам распределителя импульсов, которые обеспечивают формирование импульсов управления, в соответствии с упомянутыми выражениями Fqq и Fgg, 1575279

at

Ий

1

У43

V4

1

М

Фиг. 2

1575279

2кОИПд

Составитель Г,Мыцык

Редактор Н.Киштулииец Техред M,Äèäüè

Корр ект ор О. Кр авцов а

Заказ 1790 Тираж 500 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101