Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное (варианты)

 

Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к устройствам, в состав которых входят нерегулируемый источник питания постоянного напряжения, преобразователь постоянного напряжения, LС-фильтры на входе и выходе преобразователя и трехфазный мостовой инвертор напряжения с узлами принудительной коммутации тиристоров и предназначено для питания и частотного пуска мощных асинхронных двигателей. Цель изобретения - усовершенствование узла искусственной коммутации главных тиристоров инвертора в направлении обеспечения высокой коммутационной устойчивости инвертора при постоянстве его выходного тока при изменении частоты и напряжения на выходе инвертора и при широком диапазоне регулирования напряжения по цепи питания инвертора без использования дополнительного источника заряда коммутирующего конденсатора. Указанная цель достигается двумя различными схемными решениями. Общим и существенным для них является: двухступенчатый способ коммутации главных тиристоров инвертора, наличие в узле принудительной коммутации разделительных тиристоров, которые создают условия его автономной работы, использование в качестве дополнительного источника подзаряда коммутирующего конденсатора напряжения на конденсаторе входного фильтра преобразователя постоянного напряжения, которое обеспечивает предварительный перезаряд коммутирующего конденсатора с помощью дополнительных тиристоров и независимость напряжения на нем от изменяющегося напряжения по цепи питания инвертора, индивидуальное воздействие на главные тиристоры. 2 н.п.ф, 4 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для питания и частотного пуска мощных (более 50 кВт) асинхронных двигателей и может быть использовало для питания мощных синхронных двигателей и активно - индуктивной нагрузки с переменной частотой и напряжением. Изобретение позволяет эффективно использовать тиристоры в схемах преобразователей постоянного напряжения в трехфазное переменное, где применение других полупроводниковых приборов затруднено по техническим или экономическим причинам.

Рассматриваемое изобретение относится к устройствам, в состав которого входят: нерегулируемый источник питания постоянного напряжения, входной сглаживающий фильтр с емкостным элементом, регулятор постоянного напряжения, выходной сглаживающий фильтр и мостовой инвертор напряжения (далее по тексту инвертор) с узлами принудительной коммутации тиристоров.

По способу управления изобретение относится к преобразователям, выходное напряжение которых изменяется за счет регулирования напряжения по цепи постоянного напряжения, а выходное напряжение и частота формируются инвертором, содержащего в плече встречно включенные главный тиристор и диод. Наличие сглаживающих LC- или С-фильтров, узлов принудительной коммутации главных тиристоров инвертора в этих схемах является обязательным.

Особенностью работы рассматриваемого преобразователя является сохранение постоянного выходного тока, близкого к номинальному, при глубоком изменении напряжения на выходе и выходной частоты (с соблюдением соотношения Uвых. /Рвых.соnst.), что создает особые условия работы узла принудительной коммутации главных тиристоров инвертора, при которых требуется сохранить коммутационную устойчивость главных тиристоров при низких значениях напряжения источника постоянного напряжения на входе инвертора.

В качестве аналога и прототипа выбираем схемы инверторов, узлы коммутации главных тиристоров которых содержат источники питания коммутирующих конденсаторов/1,2/.

Схема /1/ содержит дополнительный источник, разделенный на две равные части, которые непосредственно включены в контур коммутации главных тиристоров, два коммутирующих конденсатора, средняя точка которых подсоединена к средней точке фильтрового конденсатора на входе инвертора. Недостатком схемы является включение дополнительного источника питания в контур коммутации, необходимость сбалансированности схемы для выравнивания потенциалов коммутирующей цепи, включение в контур коммутации главных тиристоров фильтровых конденсаторов, которые из-за большой емкости (выбираемой из условий необходимой фильтрации выпрямленного напряжения) затягивают процесс коммутации главных тиристоров, снижение коммутационной устойчивости главных тиристоров при уменьшении напряжения на входе инвертора и сохранении величины выходного тока инвертора на уровне, близком к номинальному.

Схема прототип /2/ содержит дополнительный источник питания, который через группу тиристоров, включенных по мостовой схеме, заряжает конденсаторы. Конденсаторы в свою очередь соединены в звезду, их общая точка соединена со средней точкой конденсаторов сглаживающего фильтра, остальные обкладки конденсаторов подключены к фазным выводам выше упомянутой мостовой схемы и через пары встречно-параллельно включенных коммутирующих тиристоров по фазно подключены к главным тиристорам инвертора. Недостатком предлагаемого способа коммутации является включение в контур коммутации фильтровых конденсаторов, имеющих обратную полярность по отношению к полярности конденсатора, что ведет к снижению эффективности коммутации, а также специальный алгоритм заряда конденсаторов.

Цель изобретения усовершенствование узла принудительной коммутации главных тиристоров инвертора в направлении сохранения высокой коммутационной устойчивости тиристоров инвертора при постоянстве выходного тока преобразователя (на уровне расчетного) при изменениях частоты и напряжения на выходе преобразователя и при широком диапазоне регулирования напряжения по цепи питания инвертора (входного напряжения инвертора), без использования дополнительного источника заряда коммутирующего конденсатора.

Указанная цель достигается двумя различными схемными решениями (вариантами). Общим и существенным для решений являются: двухступенчатый способ коммутации главных тиристоров инвертора; наличие в узле принудительной коммутации главных тиристоров инвертора разделительных тиристоров,которые создают условия автономной работы узла принудительной коммутации главных тиристоров инвертора; использование в качестве дополнительного источника заряда коммутирующих конденсаторов напряжения на емкостном элементе входного фильтра которое обеспечивает предварительный заряд коммутирующего конденсатора с помощью тиристоров контура заряда и независимость напряжения на нем от изменяющегося напряжения на входе инвертора, чем и достигается коммутационная устойчивость инвертора; индивидуальное воздействие на главные тиристоры инвертора.

Применение изобретения позволит получить следующие преимущества: независимость работы узла принудительной коммутации от изменяющегося напряжения на входе инвертора, что ведет к повышению коммутационной устойчивости главных тиристоров при снижении напряжения на входе инвертора и сохранении тока нагрузки на уровне, близком к номинальному (расчетному); использование напряжения на емкостном элементе входного фильтра для предварительного заряда коммутирующего конденсатора; оптимальный выбор емкости коммутирующего конденсатора, величина которой определяется только величиной напряжения на емкостном элементе входного фильтра и временем выключения главных тиристоров; исключение специального дополнительного источника заряда коммутирующего конденсатора;
снижение емкости коммутирующих конденсаторов;
отсутствие накопления энергии в коммутирующем конденсаторе, компенсация потерь в контуре коммутации осуществляется за счет нерегулируемого источника постоянного напряжения.

На фиг.1 представлен первый вариант преобразователя; на фиг.2 - отличительный от фиг.1 фрагмент второго варианта преобразователя; на фиг.3 - диаграммы токов и напряжений основных элементов преобразователя по варианту 1 и 2 в режиме максимального напряжения на инверторе; на фиг.4 диаграммы токов и напряжений основных элементов преобразователя по варианту 1 и 2 в режиме минимального напряжения на инверторе.

Общим для предлагаемых вариантов по фиг.1,фиг.2 является подключение инвертора 1 к последовательно соединенным выходному сглаживающему фильтру 2, блоку регулирования постоянного напряжения 3, входному сглаживающему фильтру 4, нерегулируемому источнику постоянного напряжения 5. Далее описываются общие схемные решения для вариантов на примере одной фазы фиг.1.

Основной токоведущий контур инвертора 1 образуют последовательно соединенные главный тиристор 6 анодом к плюсу инвертора 1, главный тиристор 7 анодом к главному тиристору 6, катодом к минусу инвертора 1. Тиристор 6 шунтирован обратным диодом 8, тиристор 7 шунтирован обратным диодом 9.

Общий узел по фазной коммутации главных тиристоров инвертора состоит из последовательно согласно соединенных дросселей 10,11, коммутирующего конденсатора 12. Дроссель 11 шунтирован диодом 13. Анод диода 13 подсоединен к общей точке коммутирующего конденсатора 12 и дросселя 11. Дроссель 10 (концом не являющимся общим с дросселем 11) соединяется с катодом разделительного тиристора 14, катодами коммутирующих тиристоров 15,16,17 и анодом тиристора контура заряда 18. Анод разделительного тиристора 14 соединен с плюсом инвертора 1. Катод тиристора контура заряда 18 соединен с минусом инвертора 1 (или что тоже самое с минусом источника питания 5). Анод коммутирующего тиристора 15 соединен с общей точкой главных тиристоров 6 и 7,что является выходом фазы А инвертора 1 (или выходом фазы А преобразователям). Аналогично аноды коммутирующих тиристоров 16,17 соединены соответственно с фазами В и С инвертора 1 (фазами В и С преобразователям. Обкладка коммутирующего конденсатора 12, не являющаяся общей с дросселем 11, соединена с анодом разделительного тиристора 19, анодами коммутирующих тиристоров 20,21,22 и катодом тиристора контура заряда 23. Катод разделительного тиристора 19 соединен с минусом инвертора 1. Катоды коммутирующих тиристоров 20,21,22 соединены соответственно с анодами коммутирующих тиристоров 15,16,17. Анод тиристора контура заряда 23 соединяется с плюсом емкостного элемента входного фильтра 4 либо его частью (с целью снижения напряжения, подаваемого на контур коммутации). Таким образом коммутирующие тиристоры 15,16,17,20,21,22 образуют 3-фазный мост, фазные выводы переменного тока которого соединены с соответствующими фазными выводами инвертора, а выводы постоянного тока соединены с крайними выводами последовательной зарядной цепи 10-11(13)-12.

Вариант 2 (фиг. 2) отличается от варианта 1 тем, что в рассматриваемом функциональном блоке 24 (см. фиг. 1) вместо последовательно соединенных дросселей 10 и дросселя 11, шунтированного диодом 13, используется дроссель 11, который своим началом соединен с коммутирующим конденсатором 12, другим концом соединен с катодом разделительного тиристора 14. Дроссель 10 магнитосвязан с дросселем 11 и подключен своим концом к общей точке дросселя 11 и разделительного тиристора 14, а начало дросселя 10 соединено с анодом тиристора контура заряда 18. Начало и конец дросселей 10 и 11 могут быть одновременно изменены.

Фиг. 3,фиг.4 иллюстрируют работу преобразователя с параметрами: Епит.500 В, Еинв.макс. 500 В, Еинв.мин.50 В, Pнагp.130 кВт, Едоп.ЗОО В, Fвых=400 Гц, СОSF=0,7, L1O=3 мГн, L11=15 мГн, CI2=50 мкФ.

Обозначения на рисунках соответствуют:
I1 суммарный ток на элементах 6,8 (положительное направление тока соответствует току через тиристор 6);
I4 суммарный ток на элементах 7,9 (положительное направление тока соответствует току через тиристор 7);
IА линейный ток на выходе преобразователя;
Uab линейное напряжение на выходе преобразователя;
Ua фазное напряжение на выходе преобразователя;
U12 напряжение на коммутирующем конденсаторе 12;
I10 для фиг.3 ток дросселя 10 по схеме фиг.1,
для фиг.4 ток дросселя 11 по схеме фиг.2;
I18 ток через тиристор 18.

Принципы работы схемы рассмотрим на примере коммутации главного тиристора 6 (фиг. 1) Начальное напряжение (показано на фиг.1 знаками плюс и минус без скобок) на коммутирующем конденсаторе 12 формируется в момент включения тиристоров контура заряда 18,23. Происходит заряд коммутирующего конденсатора 12 в контуре заряда: (емкостной элемент входного фильтра 4 (Едоп))- -23-1-2-13-10-18. Напряжение Едоп. может быть взято как со всех емкостных элементов фильтра 4, так и с его части. Величина напряжения Едоп. определяется из условия обеспечения необходимого начального напряжения на коммутирующем конденсаторе 12, исходя из условий обеспечения коммутации главных тиристоров и уменьшения коммутационных потерь. Для варианта 2 заряд коммутирующего конденсатора 12 осуществляется в контуре: (емкостной элемент входного фильтра 4)-23 -1.2-11-10-1.8. Величина индуктивности в рассматриваемом контуре заряда коммутирующего конденсатора 12 для варианта 1 и 2 определяется значением индуктивности дросселя 10 из варианта 1. По окончании процесса заряда конденсатора 12, тиристоры контура заряда 18,23 закрываются. Открываются коммутирующий тиристор 20 и разделительный тиристор 14. Происходит перезаряд коммутирующего конденсатора 12 в контуре: 12-20-6(8)-14-10-11 (для варианта 2 в контуре: 12-20-6(8)-14-11) до полярности, указанной в скобках. В процессе перезаряда коммутирующего конденсатора 12 происходит отключение главного тиристора 6. Как только напряжение на коммутирующем конденсаторе 12 превысит напряжение Еинв. разделительный тиристор 14 и коммутирующий тиристор 20 закрываются и процесс коммутации заканчивается.

Суммарная индуктивность контура заряда коммутирующего конденсатора 12 выбирается меньше суммарной индуктивности контура коммутации главных тиристоров инвертора,что схемно показано в блоке 24. Здесь для варианта 1 уменьшение индуктивности контура заряда коммутирующего конденсатора обеспечивается за счет шунтирования дросселя 11 диодом 13. Для варианта 2 уменьшение индуктивности контура заряда коммутирующего конденсатора по сравнению с контуром коммутации главных тиристоров инвертора обеспечивается за счет встречного включения дросселей 10 и 11. Такое схемное решение для заряда коммутирующего конденсатора 12 по вариантам 1 и 2 позволяет снизить коммутационные потери и время заряда коммутирующего конденсатора 12.

Разделительные тиристоры 14 и 19 обеспечивают независимую от изменяющегося (за счет работы блока регулирования постоянного напряжения 3) выходного напряжения фильтра 2 (Еинв. ) работу узла коммутации в части поддержания необходимого начального напряжения на коммутирующем конденсаторе 12.

Формула изобретения

1. Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное, регулируемый по цепи питания, содержащий последовательно соединенные и подключенные к выводам для подключения нерегулируемого источника постоянного напряжения входной сглаживающий фильтр с емкостным элементом, блок регулирования постоянного напряжения, выходной сглаживающий фильтр и мостовой инвертор напряжения, фазные выводы которого являются выходными выводами, кроме того, узел принудительной коммутации главных тиристоров мостового инвертора напряжения, содержащий трехфазный мост из коммутирующих тиристоров, коммутирующий конденсатор и контур заряда коммутирующего конденсатора с тиристорами, отличающийся тем, что в узел принудительной коммутации введены два разделительных тиристора и в контур заряда два последовательно согласно соединенных дросселя, один из которых шунтирован диодом в направлении заряда коммутирующего конденсатора, и формирующих последовательную зарядную цепь с коммутирующим конденсатором, причем крайние выводы последовательной зарядной цепи через тиристоры контура заряда подключены к выводам емкостного элемента входного сглаживающего фильтра или его части, разделительные тиристоры включены между соответствующими выводами постоянного тока мостового инвертора напряжения и крайними выводами последовательной зарядной цепи, которые соединены с выводами постоянного тока трехфазного моста из коммутирующих тиристоров, фазные выводы переменного тока которого соединены с соответствующими фазными выводами мостового инвертора напряжения.

2. Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное, регулируемый по цепи питания, содержащий последовательно соединенные и подключенные к выводам для подключения нерегулируемого источника постоянного напряжения входной сглаживающий фильтр с емкостным элементом, блок регулирования постоянного напряжения, выходной сглаживающий фильтр и мостовой инвертор напряжения, фазные выводы которого являются выходными выводами, кроме того, узел принудительной коммутации главных тиристоров мостового инвентора напряжения, содержащий трехфазный мост из коммутирующих тиристоров, коммутирующий конденсатор и контур заряда коммутирующего конденсатора с тиристорами, отличающийся тем, что в узел принудительной коммутации введены два разделительных тиристора и в контур заряда два последовательно встречно соединенных дросселя, причем крайние выводы последовательной цепи из последовательно встречно соединенных дросселей и коммутирующего конденсатора соединены через соответствующие тиристоры контура заряда с выводами емкостного элемента входного сглаживающего фильтра или его части, а точка соединения дросселей и свободный вывод коммутирующего конденсатора упомянутой последовательной цепи соединены через разделительные тиристоры с соответствующими выводами постоянного тока мостового инвертора напряжения и непосредственно с выводами постоянного тока трех фазного моста из коммутирующих тиристоров, фазные выводы переменного тока которого соединены с соответствующими фазными выводами мостового инвертора напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4