преобразователь постоянного напряжения в переменное с плавным регулированием выходных параметров

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения в переменное с плавным регулированием выходных параметров, содержащий входной фильтр, соединенный с инверторной ячейкой, включающей первый и второй тиристорные ключи, каждый в виде пары последовательно включенных тиристоров, соединенных каждый анодом с положительным входным выводом, а катодом - с минусовым входным выводом, трансформатор, первичная обмотка которого подключена к общим точкам тиристоров указанных ключей, генератор импульсов напряжения коммутации, содержащий тиристорный ключ из двух соединенных последовательно тиристоров, зашунтированных во встречном направлении диодами и соединенных свободными анодом и катодом с минусовым и положительным входными выводами соответственно, импульсный трансформатор и резонансный контур, шунтирующий его первичную обмотку, подключенную между общими точками тиристоров первого тиристорного ключа и тиристорного ключа генератора импульсов напряжения коммутации, а также блок управления, отличающийся тем, что в него введены два дополнительных диода, включенных встречно параллельно соответствующим тиристорам первого тиристорного ключа, и два дополнительных тиристора, соединенных между собой встречно параллельно и подключенных между выводом вторичной обмотки импульсного трансформатора и общей точкой тиристоров второго тиристорного ключа, при этом другой вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора присоединен к выходу тиристорного ключа генератора импульсов, а блок управления выполнен обеспечивающим на первом этапе регулирования синхронную подачу управляющих импульсов тока в цепи управляющих переходов первого тиристорного ключа и тиристорного ключа генератора импульсов и подачу с регулируемой задержкой относительно момента отпирания упомянутых ключей отпирающих импульсов в цепи управляющих переходов дополнительных тиристоров, а на втором этапе регулирования - синхронную подачу управляющих импульсов тока в цепи управляющих переходов первого и второго тиристорных ключей и с регулируемой задержкой времени относительно момента отпирания упомянутых ключей отпирающих импульсов в цепи управляющих переходов тиристорного ключа генератора импульсов и дополнительных тиристоров.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области полупроводниковых преобразователей и предназначено для использования на транспорте и для питания различных технологических устройств.

Известны преобразователи, содержащие автономные инверторы с искусственной коммутацией тока, в которых импульс коммутации подается к тиристорам через импульсный трансформатор и разделительные диоды [1] (прототип).

Недостатком таких инверторов является необходимость выполнения элементов искусственной коммутации на полное напряжение источника питания и импульсного трансформатора на полную мощность нагрузки, что увеличивает массу преобразователя и стоимость его оборудования. Кроме того, с целью обеспечения устойчивой работы инвертора отпирание следующей группы тиристоров инверторного моста необходимо осуществлять с задержкой относительно момента окончания импульса коммутации на время, большее время выключения управляемых вентилей. Это обстоятельство ограничивает выходную мощность преобразователя, снижает его КПД и уменьшает диапазон регулирования напряжения на выходе.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что преобразователь содержит входной фильтр, блок управления и инверторную ячейку, включающую два силовых тиристорных ключа, первый из которых содержит встречные диоды, трансформатор и генератор импульсов напряжения коммутации, подключенный входом к плюсовому и минусовому входным выводам и состоящий из тиристорного ключа со встречными диодами, между выходом которого и выходом первого силового тиристорного ключа указанной ячейки подключена первичная обмотка коммутирующего трансформатора и колебательный контур, а указанная инверторная ячейка снабжена двумя дополнительными тиристорами, через которые к входу второго тиристорного ключа подключен вывод вторичной обмотки трансформатора указанного генератора импульсов. При этом блок управления выполнен обеспечивающим синхронную подачу импульсов тока в цепи управляющих переходов соответствующих основных тиристоров и вентилей тиристорного ключа генератора импульсов напряжения коммутации, а также подачу импульсов тока в цепи управляющих переходов дополнительных тиристоров с регулируемой задержкой относительно момента подачи импульсов тока для отпирания вентилей тиристорного места.

Указанная цель в части расширения диапазона регулирования напряжения на выходе обеспечивается подачей импульсов тока в цепь управляющих переходов дополнительных тиристоров с регулируемой задержкой относительно момента отпирания вентилей тиристорного ключа, а в части уменьшения установленной мощности оборудования и повышения КПД преобразователь снабжен дополнительными тиристорами и коммутирующий трансформатор выполнен с низковольтной вторичной обмоткой, подключенной к выводам тиристорного ключа генератора импульсов коммутации и выходом тиристорного ключа через указанные дополнительные тиристоры.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы, иллюстрирующие его работу при разных значениях длительности импульсов напряжения на выходе.

Предлагаемый преобразователь содержит первый и второй ключи инвертора, включающие тиристоры 1-4, встречные диоды 5,6, трансформатор 7, генератор импульсов напряжения коммутации, включающий ключ на тиристорах 8,9 со встречными диодами 10,11, колебательный контур, содержащий реактор 12 и конденсатор 13, импульсный трансформатор 14 со вторичной обмоткой 15, выводы первичной обмотки которого соединены с выходными клеммами первого ключа инвертора и ключа указанного генератора, а вторичная обмотка 15 подключена последовательно в цепь между выходами указанных ключей через дополнительные тиристоры 16, 17. Кроме этого, в преобразователь входит Г-образный фильтр, содержащий реактор 18 и конденсатор 19, и блок управления 20, формирующий импульсы тока управления в заданной временной последовательности.

Нагрузка 21 подключена ко вторичной обмотке трансформатора 7.

Выходы блока управления 20 связаны через блок гальванической развязки 22 с управляющими переходами тиристоров 1-4, блок 23 - тиристоров 8, 9, блок 24 - тиристоров 16, 17.

В начальном интервале времени работы преобразователя при пониженном напряжении на выходе импульсы тока с выходов блока управления поступают только в цепи управляющих переходов последовательных тиристоров 1,2 и 8,9 и с некоторой задержкой относительно импульсов напряжения коммутации - в цепи управляющих переходов дополнительных тиристоров 16, 17.

При дальнейшем повышении напряжения на выходе блок управления 20 обеспечивает одновременное отпирание соответственно тиристоров 8, 16 и 9, 17. При этом с некоторым опережением по отношению к импульсам напряжения коммутации, определяемым величиной напряжения на выходе, с выходов блока управления поступают импульсы тока в цепи управляющих переходов тиристоров 1,4 и 2, 3.

Действие преобразователя заключается в следующем. В начальном интервале регулирования тиристоры 3, 4 заперты и преобразование постоянного напряжения осуществляется тиристорами 1, 2 первого ключа, 8, 9 генератора импульсов напряжения коммутации и дополнительными тиристорами 16, 17.

В момент времени t₁ импульс тока i_y1 поступает в цепи управляющих переходов тиристоров 1, 9. При этом на выходе генератора импульсов напряжения коммутации и на первичной обмотке трансформатора 14 формируется прямоугольный импульс напряжения U_k отрицательной полярности (фиг.2). Амплитуда этого импульса трансформатором 14 увеличивается на 10-15%. Длительность этого импульса определяется параметрами реактора 12 и конденсатора 13 колебательного контура.

В момент времени t₂ импульс тока i_y3 поступает в цепь управляющего перехода тиристора 17, отпирание которого обеспечивает появление импульса напряжения на первичной обмотке трансформатора 7. Через тиристоры 1, 9 протекает результирующий ток нагрузки и контура коммутации. Поскольку амплитуда импульса тока i_k превышает максимальное значение тока нагрузки более чем в 2 раза, то в момент времени t₃ ток через вентили 1,9 меняет свое направление и его обратная полуволна протекает через диоды 5, 11. С этого момента времени начинается процесс восстановления запирающих свойств тиристоров 1,9. Для обеспечения устойчивой работы преобразователей необходимо выполнение условия, при котором длительность импульса обратной полуволны тока через диоды 5,11 была больше времени выключения тиристоров 1,2 и 8,9, а амплитуда тока через колебательный контур превышала максимальное значение тока нагрузки в 2 раза.

В момент времени t₄ ток через диоды 5, 11 становится равным 0 и на вентилях 1, 5 и 9, 11 восстанавливается напряжение U_V. При этом тиристоры 1,9 остаются в запертом состоянии. После выключения диодов 5,11 ток нагрузки протекает по контуру, в который входят первичная обмотка трансформатора 7, тиристор 17, обмотка 15 импульсного трансформатора, реактор 12 и конденсатор 13.

В момент времени t₅ импульс тока i_y2 поступает в цепи управляющих переходов тиристоров 2, 8, отпирание которых приводит к появлению импульса напряжения U_k положительной полярности на выходе генератора импульсов коммутации. Далее при появлении импульса тока i_y4 в цепи управляющего перехода тиристора 16 и на первичной обмотке трансформатора 7 формируется импульс положительной полярности.

После уменьшения времени задержки отпирания тиристоров 16, 17 до нуля вводятся в работу последовательные тиристоры 3, 4, которые отпираются поочередно импульсами тока i_y5, i_y6 одновременно с тиристорами 1, 2.

В момент времени t₁ импульс тока i_y1 (фиг.3) поступает в цепи управляющих переходов тиристоров 1, 4, отпирание которых вызывает появление напряжения на первичной обмотке трансформатора 7. С этого момента времени напряжение на первичной обмотке трансформатора 7 равно напряжению на входе инвертора.

В момент времени t₂ импульс тока поступает в цепь управляющих переходов тиристоров 9, 17, отпирание которых приводит к увеличению напряжения U_T1 на первичной обмотке трансформатора 7 на величину напряжения на вторичной обмотке 15 трансформатора 14. В результате этого напряжение на аноде тиристора 4 становится отрицательным относительно потенциала его катода и он выключается. С этого момента начинается процесс восстановления его запирающих свойств, а ток нагрузки протекает по контуру, образованному конденсатором 19, тиристором 1, первичной обмоткой трансформатора 7, тиристором 17, вторичной обмоткой трансформатора 14, и тиристором 9. В момент времени t₃ ток i_V1 через вентили 1, 9 меняет свое направление и переходит в цепь диодов 5, 11. При этом процесс коммутации тока тиристоров происходит аналогично описанному выше. В момент t₄ ток через диоды 5, 11 становится равным 0. С этого момента напряжение на первичной обмотке трансформатора U_T1 резко снижается до величины, близкой 0.

В момент времени t₅ импульс тока i_y2 поступает в цепь управляющих переходов тиристоров 2, 3. Их отпирание обеспечивает протекание тока нагрузки i_t1 по контуру: конденсатор 19, тиристор 2, первичная обмотка трансформатора 7 и тиристор 3. С этого момента напряжение на первичной обмотке снова становится равным напряжению на конденсаторе 19, изменив знак на обратный.

В момент времени t₆ импульс тока поступает в цепь управляющих переходов тиристоров 8, 16, отпирание которых приводит к увеличению напряжения U_T1 первичной обмотки трансформатора 7 на величину напряжения вторичной обмотки трансформатора 14 и происходит запирание тиристора 3. С этого момента ток нагрузки протекает по контуру: конденсатор 19, тиристор 2, первичная обмотка трансформатора 7, тиристор 16, вторичная обмотка трансформатора 14 и тиристор 8. В момент времени t₇ ток через вентили 2,8 становится равным 0 и переходит в цепь диодов 6, 10. С этого момента начинается процесс восстановления запирающих свойств тиристоров 2, 8. В момент времени t₈ ток через диоды 6, 8 уменьшается до 0, происходит их выключение и напряжение на первичной обмотке трансформатора U_T1 резко снижается до 0. В дальнейшем электромагнитные процессы в преобразователе периодически повторяются.

Напряжение на первичной обмотке трансформатора 7 и нагрузке имеет прямоугольную форму со ступеньками, обусловленными импульсами напряжения коммутации на вторичной обмотке трансформатора.

Наличие в преобразователе трансформатора 7 ограничивает возможность его работы в диапазоне низких частот. С целью устранения такого недостатка нагрузку следует подключить непосредственно к выходным клеммам преобразователя.