Преобразователь постоянного напряжения

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для питания электрических машин переменного тока. Технический результат заключается в повышении надежности преобразователя путем снижения значений du/dt, коммутационных перенапряжений, потерь на коммутацию и электромагнитных помех преобразователя. Преобразователь постоянного напряжения содержит входной фильтр, однофазные полумостовые инверторы напряжения, разделительные трансформаторы, мостовой выпрямитель, LC-фильтр и трехфазный инвертор напряжения. Для каждого коммутирующего ключа в инверторах используется пассивная амортизирующая схема, в которой диодно-конденсаторный контур обеспечивает низкое значение du/dt и низкие потери на коммутацию. Рекуперативная цепь на базе трансформатора и диодов гарантирует возврат энергии от амортизирующего контура в конденсаторы цепи постоянного тока. Схема имеет высокий кпд, допускает использование любых алгоритмов ШИМ. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электроприводу электроподвижного состава постоянного тока, и предназначено, в частности, для питания электрических машин, трансформаторов и других потребителей переменного тока.

Основной областью применения преобразователей постоянного напряжения является питание вспомогательных асинхронных двигателей электроподвижного состава постоянного тока.

Аналогом является известная схема питания трехфазного асинхронного двигателя (патент РФ на полезную модель №39763), содержащая в положительном и отрицательном зажимах источника сглаживающие дроссели, к выходам которых параллельно источнику питания подключены четыре последовательно соединенных конденсатора, разделенных общими точками, из которых два конденсатора отрицательной группы и два конденсатора положительной группы, параллельно конденсаторам каждой группы подключены однофазные инверторы напряжения, содержащие два последовательно соединенных ключа, разделенных средним выводом, - инвертор отрицательной группы и инвертор положительной группы. Каждая группа инверторов соединена общей точкой, имеющей связь с общей точкой конденсаторов отрицательной и положительной группы, к общей точке конденсаторов отрицательной группы и среднему выводу инвертора отрицательной группы подключена первичная обмотка первого понижающего трансформатора, а к общей точке конденсаторов положительной группы и среднему выводу инвертора положительной группы подключена первичная обмотка второго понижающего трансформатора, вторичные обмотки трансформаторов соединены между собой последовательно, к выводу вторичных обмоток подключен неуправляемый мостовой выпрямитель.

Недостаток силовой части схемы - полупроводниковые приборы (ключи) коммутатора находятся под половинным напряжением источника питания, что при работе схемы от источника питания с максимальным напряжением и наличия коммутационных перенапряжений может привести к выходу ключей из строя.

Наиболее близким по технической сущности является преобразователь постоянного напряжения, содержащий два последовательно соединенных однофазных импульсных инвертора, в каждом из которых две группы конденсаторов совместно с двумя транзисторами образуют полумостовую схему однофазного импульсного инвертора, в диагонали упомянутых инверторов включены первичные обмотки разделительного трансформатора. Кроме того, преобразователь постоянного напряжения содержит неуправляемый диодный мост, получающий питание от вторичных обмоток трансформатора, соединенных параллельно, LC-фильтр на выходе диодного моста и трехфазный инвертор напряжения (патент РФ №2283529).

Недостаток силовой схемы, так же как и у аналога, - на полупроводниковых ключах однофазных инверторов присутствуют коммутационные перенапряжения, что может приводить к их перегрузке и выходу ключей из строя.

Задачей изобретения является повышение надежности путем снижения коммутационных перенапряжений и значений du/dt на ключах однофазных инверторов напряжения, снижение потерь на коммутацию и электромагнитных помех преобразователя.

Аналогичные задачи решаются введением в силовые цепи инверторов амортизирующей схемы, показанной на фиг.1. Эта схема позволяет успешно регулировать выбросы напряжения, но на элементах схемы выделяется большое количество мощности.

Фирма " Hitachi " применяет амортизирующую RC-цепь с дельта-конденсатором (фиг.2). Недостаток - на элементах этой схемы так же выделяется большое количество мощности.

Известна схема (зарегистрированное авторское право принадлежит правительству США в соответствии с контрактом DE-AC05-00OR22725) пассивного рекуперативного амортизирующего контура для инверторов ШИМ с мягкой коммутацией (фиг.3). В данной пассивной амортизирующей схеме (PSSS) используется диодно-конденсаторный контур для каждого коммутирующего ключа в инверторе, обеспечивая низкое значение du/dt и низкие потери на коммутацию. Рекуперативная цепь на базе трансформатора и диодов гарантирует возврат энергии от амортизирующего контура в конденсатор цепи постоянного тока. Схема имеет высокий кпд, допускает использование любых алгоритмов ШИМ.

Недостаток - рекуперативная цепь имеет индуктивность рассеяния, которая вместе с барьерной емкостью переходов диодов образуют ударный резонансный контур, который не позволяет своевременно возвратить энергию из амортизирующего контура в конденсатор цепи постоянного тока, в результате на ключах инвертора возникают коммутационные перенапряжения.

Поставленная задача достигается тем, что в схему преобразователя постоянного напряжения, содержащего в положительном зажиме источника питания сглаживающий дроссель, к выходу которого параллельно источнику питания подключены два последовательно соединенных однофазных импульсных инвертора, в каждом из которых две группы конденсаторов совместно с двумя транзисторами образуют полумостовую схему однофазного импульсного инвертора, в диагонали упомянутых инверторов включены первичные обмотки разделительных трансформаторов, вторичные обмотки трансформаторов соединены между собой последовательно, кроме того, преобразователь постоянного напряжения содержит неуправляемый диодный мост, LC-фильтр на его выходе и трехфазный мостовый инвертор напряжения, дополнительно введены в каждом однофазном импульсном инверторе напряжения параллельно каждому транзисторному ключу амортизирующие цепи, включающие в себя дельта-конденсатор, состоящий из трех конденсаторов, соединенных в треугольник, подключенный одной вершиной в точку соединения двух транзисторов однофазного инвертора напряжения, второй вершиной к катоду первого амортизирующего диода, параллельно которому подключен амортизирующий резистор, а анод указанного диода соединен с коллектором транзисторного ключа однофазного инвертора напряжения, а третьей вершиной к аноду второго амортизирующего диода, параллельно которому подключен второй амортизирующий резистор, а катод этого диода подключен к эмиттеру другого транзисторного ключа однофазного инвертора напряжения и рекуперативные цепи, состоящие из первого рекуперативного диода, подключенного анодом в точку соединения второй вершины дельта-конденсатора с катодом первого амортизирующего диода и первого амортизирующего резистора, а катодом к началу первой обмотки рекуперативного трансформатора, конец которой подключен к конденсатору емкостного делителя однофазного инвертора напряжения, второго рекуперативного диода, подключенного катодом в точку соединения третьей вершины дельта-конденсатора с анодом второго амортизирующего диода и второго амортизирующего резистора, а анодом к началу второй обмотки рекуперативного трансформатора, конец которой подключен к другому конденсатору емкостного делителя однофазного инвертора напряжения.

Положительный эффект изобретения проявляется в том, что предлагаемое техническое решение позволит обеспечить повышение надежности преобразователя путем снижения коммутационных перенапряжений и значений du/dt на ключах однофазных инверторов напряжения, снижение потерь на коммутацию и электромагнитных помех преобразователя.

На фиг.1 - амортизирующая схема инвертора;

на фиг.2 - амортизирующая RC-цепь с дельта-конденсатором;

на фиг.3 - пассивный рекуперативный амортизирующий контур инвертора;

на фиг.4 - преобразователь постоянного напряжения.

На фиг.4 показана схема преобразователя постоянного напряжения, нагрузкой которого могут являться трехфазные асинхронные двигатели.

Преобразователь постоянного напряжения содержит клеммы для подключения к источнику питания, из которых - клемма 1 отрицательной полярности, клемма 2 положительной полярности, входной дроссель 3, подключенный к клемме 2 источника питания, последовательно соединенные две группы конденсаторов 4 и 5, подключенные параллельно к дросселю 3 и отрицательной клемме 1 источника питания, образуют емкостной делитель, подключенный средней точкой к средней точке двух соединенных последовательно однофазных инверторов 6 и 7, образующих отрицательную и положительную группы. В каждом инверторе 6 и 7 два транзисторных модуля совместно с двумя конденсаторами в каждой группе конденсаторов 4 и 5 образуют полумостовые схемы однофазных инверторов, в диагональ которых включены первичные обмотки разделительных трансформаторов напряжения 8 и 9, вторичные обмотки которых соединены последовательно и подключены к неуправляемому мостовому выпрямителю 10, отрицательный вывод которого соединен параллельно с конденсатором 11 LC-фильтра 12, а положительный вывод указанного выпрямителя соединен последовательно с дросселем 13 LC-фильтра 12, а на выходе указанного фильтра подключен трехфазный мостовой автономный инвертор напряжения 14. К выходным клеммам 15...17 трехфазного мостового инвертора напряжения 14 производится подключение: электрических машин, трансформаторов и других потребителей переменного тока.

В каждом однофазном импульсном инверторе напряжения 6 и 7 параллельно каждому транзисторному ключу 18...21 подключены амортизирующие цепи, включающие в себя дельта-конденсаторы 22 и 23, состоящие из трех конденсаторов, соединенных в треугольник. Дельта-конденсатор 22 подключен одной вершиной в точку соединения транзисторов 18 и 19 однофазного инвертора напряжения 6, второй вершиной к катоду амортизирующего диода 24, параллельно которому подключен амортизирующий резистор 25, а анод диода 24 соединен с коллектором транзисторного ключа 19 однофазного инвертора напряжения 6, а третьей вершиной к аноду амортизирующего диода 26, параллельно которому подключен амортизирующий резистор 27, а катод диода 26 подключен к эмиттеру транзисторного ключа 18 однофазного инвертора напряжения 6, и рекуперативные цепи, состоящие из рекуперативного диода 28, подключенного анодом в точку соединения второй вершины дельта-конденсатора 22 с катодом амортизирующего диода 24 и амортизирующего резистора 25, а катодом к началу первой обмотки W1 рекуперативного трансформатора 29, конец которой подключен к конденсатору емкостного делителя 4 однофазного инвертора напряжения 6, второго рекуперативного диода 30, подключенного катодом в точку соединения третьей вершины дельта-конденсатора 22 с анодом амортизирующего диода 26 и амортизирующего резистора 27, а анодом к началу второй W2 обмотки рекуперативного трансформатора 29, конец которой подключен к другому конденсатору емкостного делителя 4 однофазного инвертора напряжения 6. Дельта-конденсатор 23 подключен одной вершиной в точку соединения транзисторов 20 и 21 однофазного инвертора напряжения 7, второй вершиной к катоду амортизирующего диода 31, параллельно которому подключен амортизирующий резистор 32, а анод указанного диода 31 соединен с коллектором транзисторного ключа 21 однофазного инвертора напряжения 7, а третьей вершиной к аноду амортизирующего диода 33, параллельно которому подключен амортизирующий резистор 34, а катод диода 34 подключен к эмиттеру транзисторного ключа 20 однофазного инвертора напряжения 7, и рекуперативные цепи, состоящие из рекуперативного диода 35, подключенного анодом в точку соединения второй вершины дельта-конденсатора 23 с катодом амортизирующего диода 31 и амортизирующего резистора 32, а катодом к началу первой обмотки W1 рекуперативного трансформатора 36, конец которой подключен к конденсатору емкостного делителя 5 однофазного инвертора напряжения 7, второго рекуперативного диода 37, подключенного катодом в точку соединения третьей вершины дельта-конденсатора 23 с анодом амортизирующего диода 33 и амортизирующего резистора 34, а анодом к началу второй обмотки W2 рекуперативного трансформатора 36, конец которой подключен к другому конденсатору емкостного делителя 5 однофазного инвертора напряжения 7.

Транзисторные ключи 18...21 могут быть выполнены на модулях IGBT, запираемых тиристорах GTO или других полупроводниковых приборах.

Питание преобразователя осуществляется от источника с напряжением от 2200 до 4000 В постоянного тока.

Снижение коммутационных перенапряжений и значений du/dt на последовательно соединенных однофазных инверторах 6 и 7 осуществляется амортизирующими цепями, включающими в себя дельта-конденсаторы 22 и 23, амортизирующие диоды 24, 26, 31, 33 и амортизирующие резисторы 25, 27, 32, 34. Рекуперативные цепи, включающие в себя трансформаторы 29 и 36, диоды 28, 30, 35, 37, гарантируют возврат энергии от амортизирующих контуров в группы конденсаторов 4 и 5 цепи постоянного тока.

На интервале открытого состояния транзисторных ключей 19 и 21 ток источника питания протекает по первичным обмоткам разделительных трансформаторов 8 и 9, происходит передача энергии во вторичные обмотки. При запирании транзисторных ключей 19 и 21 под действием ЭДС самоиндукций индуктивностей рассеяния шин солового монтажа и первичных обмоток разделительных трансформаторов 8 и 9 ток остается постоянным во время процесса коммутации. Он отводится в конденсаторы 38 и 39 через диод 24 и конденсаторы 40 и 41 через диод 31. Таким образом, ток заряжает конденсаторы 38, 40 и разряжает конденсаторы 39 и 41, в то время как на конденсаторе 42 напряжение всегда равно сумме напряжений на конденсаторах 38 и 39, а на конденсаторе 43 всегда равно сумме напряжений на конденсаторах 40 и 41. Когда напряжения на конденсаторах 42 и 43 становится выше напряжений на группах конденсаторов 4 и 5 цепи постоянного тока, рекуперативные цепи начинают передавать энергию из конденсаторов 42 и 43 назад в цепи постоянного тока.

Рекуперативные цепи включают в себя диоды 28, 30 и трансформатор 29 для однофазного инвертора 6 и диоды 35, 37 и трансформатор 36 для инвертора 7. Диоды 28, 30 инвертора 6 и 35, 37 инвертора 7 гарантируют поступление тока в одном направлении, т.е. от амортизирующих контуров в цепь постоянного тока. Рекуперативные трансформаторы 29 и 36 выполнены как синфазные дроссели, они имеют нулевую индуктивность при прохождении токов в контурах рекуперации энергии для инвертора 6 - конденсатор 22, диод 28, обмотка W1 трансформатора 29, группа конденсаторов 4, обмотка W2 трансформатора 29, диод 30, конденсатор 22 и для инвертора 7 - конденсатор 23, диод 35, обмотка W1 трансформатора 36, группа конденсаторов 5, обмотка W2 трансформатора 36, диод 37, конденсатор 23. В других контурах, для инвертора 6 (один контур - обмотка W2 трансформатора 29, диод 30, диод 26, отрицательная шина источника питания, обмотка W2 трансформатора 29 и второй контур - обмотка W1 трансформатора 29, положительная шина инвертора 6, диод 24, диод 28, обмотка W1 трансформатора 29) и для инвертора 7 (один контур - обмотка W2 трансформатора 36, диод 37, диод 33, отрицательная шина инвертора 7, обмотка W2 трансформатора 36 и второй контур - обмотка W1 трансформатора 36, положительная шина источника питания, диод 31, диод 35, обмотка W1 трансформатора 36) - индуктивность трансформаторов 29 и 36 большая, что снижает проходящие по ним токи.

Амортизирующие резисторы 25, 27, 32, 34 исключают образование ударных резонансных контуров, которые образуют индуктивности рассеяния вместе с барьерной емкостью переходов диодов.

Однофазные инверторы 6 и 7 могут управляться способом широтно-импульсного регулирования, выходной автономный инвертор напряжения 14 - способом широтно-импульсной модуляции.

Таким образом, предложенный преобразователь постоянного напряжения позволяет повысить надежность существующего прототипа путем снижения коммутационных перенапряжений и значений du/dt на ключах однофазных инверторов напряжения, снижение потерь на коммутацию и электромагнитных помех преобразователя.

1. Преобразователь постоянного напряжения, содержащий в положительном зажиме источника питания сглаживающий дроссель, к выходу которого параллельно источнику питания подключены два последовательно соединенных однофазных импульсных инвертора, в каждом из которых две группы конденсаторов совместно с двумя транзисторами образуют полумостовую схему однофазного импульсного инвертора, в диагонали упомянутых инверторов включены первичные обмотки разделительных трансформаторов, вторичные обмотки трансформаторов соединены между собой последовательно и подключены к неуправляемому диодному мосту и LC-фильтру на его выходе, кроме того, преобразователь постоянного напряжения содержит трехфазный мостовый инвертор напряжения, включенный на выходе LC-фильтра, отличающийся тем, что в каждом однофазном импульсном инверторе напряжения параллельно каждому транзисторному ключу дополнительно подключены амортизирующие цепи, включающие в себя дельта-конденсатор, состоящий из трех конденсаторов, соединенных в треугольник, подключенный одной вершиной в точку соединения двух транзисторов однофазного инвертора напряжения, второй вершиной к катоду первого амортизирующего диода, параллельно которому, подключен амортизирующий резистор, а анод указанного диода соединен с коллектором транзисторного ключа однофазного инвертора напряжения, а третьей вершиной к аноду второго амортизирующего диода, параллельно которому подключен второй амортизирующий резистор, а катод этого диода подключен к эмиттеру другого транзисторного ключа однофазного инвертора напряжения и рекуперативные цепи, состоящие из первого рекуперативного диода, подключенного анодом в точку соединения второй вершины дельта-конденсатора с катодом первого амортизирующего диода и первого амортизирующего резистора, а катодом к началу первой обмотки рекуперативного трансформатора, конец которой подключен к конденсатору емкостного делителя однофазного инвертора напряжения, второго рекуперативного диода, подключенного катодом в точку соединения третьей вершины дельта-конденсатора с анодом второго амортизирующего диода и второго амортизирующего резистора, а анодом к началу второй обмотки рекуперативного трансформатора, конец которой подключен к другому конденсатору емкостного делителя однофазного инвертора напряжения.

2. Преобразователь постоянного напряжения по п.1, отличающийся тем, что обмотки разделительного трансформатора соединены между собой параллельно и подключены к неуправляемому диодному мосту, а все обмотки разделительного трансформатора размещены на общем магнитопроводе.