преобразователь напряжения и способ управления им

Формула изобретения

1. Преобразователь, содержащий подключенную к выводам для подключения источника питания последовательную цепь из сглаживающего реактора и параллельно соединенных фильтра и входной цепи выходного моста, плечи которого содержат ключевые элементы, а в его диагональ включена нагрузка, при этом фильтр содержит исходную схему фильтра первого ранга, выполненную в виде мостовой схемы, диагональ и два диагонально противоположных плеча которой образованы ключевыми элементами, а два других диагонально противоположных плеча образованы реактивными звеньями, отличающийся тем, что фильтр выполнен по схеме фильтра n-го ранга, где n 2, при этом каждая из схем фильтра i-ранга, где 2 i n, выполнена в виде мостовой схемы, диагональ и два диагонально противоположных плеча которой образованы ключевыми элементами, а два других диагонально противоположных плеча выполнены по схеме фильтра (i - 1)-го ранга.

2. Способ управления преобразователем по п.1, в соответствии с которым контролируют моменты перехода через нуль выходного тока и тока фильтра, при формировании каждого из полупериодов выходного напряжения после перехода выходного тока через нуль включают ключевые элементы соответствующих диагонально противоположных плеч выходного моста через временной интервал, превышающий время запирания ключевых элементов двух других плеч выходного моста, формируют в каждом из полупериодов последовательно три ступени напряжения, при этом для формирования первой и третьей ступеней напряжения включают ключевые элементы диагонально противоположных плеч фильтра, а для формирования второй ступени напряжения включают диагональный ключевой элемент фильтра, при этом начинают переход с первой ступени напряжения на вторую через временной интервал, превышающий время запирания ключевых элементов диагонально противоположных плеч фильтра после первого после смены знака выходного напряжения момента перехода через ноль тока фильтра, начинают переход с второй ступени напряжения на третью через временной интервал времени, превышающий время запирания диагонального ключевого элемента фильтра после второго после смены знака выходного напряжения перехода через нуль тока фильтра, переход с первой ступени напряжения на вторую осуществляют через (2ⁿ - 2) последовательно возрастающих уровня, а со второй на третью ступень напряжения через (2ⁿ - 2) последовательно убывающих уровня, при этом при переходе с первой на вторую ступень напряжения включают последовательно во времени диагональные ключевые элементы в порядке возрастания ранга фильтра, к которым они принадлежат, через временные интервалы, превышающие время запирания соответствующих плечевых ключевых элементов, а при переходе со второй на третью ступень напряжения включают последовательно во времени плечевые ключевые элементы фильтра в порядке убывания ранга фильтра, к которому они принадлежат, через временные интервалы, превышающие время запирания соответствующих диагональных ключевых элементов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и, в частности, к преобразовательной технике.

Известно [1] устройство для преобразования напряжения и способ управления им. Устройство содержит каналы, образованные высокочастотными инверторами, трансформаторами и диодными мостами, а также коммутатор. В соответствии со способом входное трехфазное напряжение трансформируют, выпрямляют, фильтруют и, используя каналы схемы, постоянно соединенные по входу параллельно, а по выходу - последовательно, инвертируют, трансформируют, выпрямляют, суммируют в напряжение ступенчатой формы.

Известно [2] устройство для преобразования частоты и способ управления им. Устройство содержит два параллельных канала выборки и хранения напряжения, выпрямитель и мостовой инвертор. Каждый канал содержит разрядный ключевой элемент и n конденсаторов, соединенных последовательно между собой и с соответствующим зарядным конденсатором через диоды, зашунтированные обратными ключевыми элементами. В соответствии со способом заряжают конденсаторы от выпрямителя, формируют на выходе напряжения необходимой формы, подключая к нагрузке в режиме разряда различное число последовательно соединенных конденсаторов, инвертируют знак выходного напряжения, используя мостовой инвертор.

Известны устройства многоячейковых преобразователей с постоянным параллельным или последовательным соединением ячеек по входу или выходу, выполненные на полностью управляемых ключах - транзисторах, и способы управления ими [3].

Наиболее близкими по технической сущности являются описанные в [4] преобразователь и способ управления им. Преобразователь содержит последовательно соединенные сглаживающий реактор и параллельно соединенные входной фильтр и мост, образованный ключевыми элементами, в диагональ переменного тока которого включена цепь нагрузки. Входной фильтр выполнен по мостовой схеме, в диагональ которой включен ключевой элемент, два первых диагонально расположенных плеча образованы реактивными звеньями входного фильтра, а два вторых диагонально расположенных его плеча - ключевыми элементами. Ключевые элементы схемы реализованы на однооперационных однонаправленных ключевых элементах - далее тиристорах, зашунтированных встречнопараллельными обратными диодами, причем все диоды схемы направлены встречно напряжению источника во всех контурах, образованных источником, сглаживающим реактором и диодами. В соответствии со способом управления преобразователем, контролируют момент перехода выходного тока через нуль, после чего через временной интервал, превышающий время запирания тиристоров, зашунтированных диодами под током, открывают один из диагональных тиристоров моста, зашунтированный обесточенным диодом, контролируют моменты перехода через нуль тока входного фильтра, в интервалах полупериодов формирования двухступенчатых разнополярных чередующихся импульсов выходного напряжения открывают диагональный тиристор фильтра после первого после нулевой паузы в выходном напряжении момента перехода через нуль тока фильтра через временной интервал, превышающий время запирания плечевых тиристоров фильтра, открывают плечевые тиристоры фильтра после второго после нулевой паузы в выходном напряжении момента перехода через нуль тока фильтра через временной интервал, превышающий время запирания диагонального тиристора фильтра.

Устройству и способу, принятым за прототип, присущи следующие недостатки.

1. В ряде случаев неудовлетворительный гармонический состав выходного напряжения, обусловленный тем, что инвертор позволяет формировать только двухступенчатые знакочередующиеся импульсы напряжения и в его спектре могут быть скомпенсированы только третья и пятая гармоники. В этом случае амплитуда седьмой гармоники относительно амплитуды первой составляет порядка 10%, а коэффициент гармоник выходного напряжения - 18%.

2. В схеме прототипа имеют место сравнительно большие предкоммутационные и послекоммутационные напряжения на ключевых элементах, которые приблизительно равны 70% от постоянного напряжения на входе фильтра преобразователя. Следствием могут быть как перенапряжения, так и сравнительно большие коммутационные потери.

3. В случае компенсации третьей и пятой гармоник в спектре выходного напряжения минимальный емкостной фазовый сдвиг первой гармоники выходного тока составляет 12 градусов, что сопряжено с увеличением как предкоммутационных и послекоммутационных напряжений на ключевых элементах моста, так и установленной мощности всех ключевых элементов и конденсаторного оборудования в выходном фильтре преобразователя.

Цель изобретения в предлагаемом устройстве - формирование 2 в степени N ступенчатого переменного напряжения улучшенного гармонического состава, где N - априори заданное целое число больше 1, при одновременном уменьшении предкоммутационных и послекоммуникационных напряжений на ключевых элементах преобразователя.

Поставленная цель в устройстве достигается тем, что оно содержит последовательно соединенные сглаживающий реактор и параллельно соединенные выходной мост, в плечи которого введены ключевые элементы, а в диагональ включена нагрузка, и фильтр, содержащий 2 в степени N реактивных звеньев и ключевые элементы, в том числе и исходной схемы первого ранга, формирующей двухступенчатое напряжение. Фильтр исходной схемы выполнен по базовой мостовой схеме, диагональ которой и два диагонально противоположных плеча образованы диагональным и плечевыми ключевыми элементами первого ранга, а два других диагонально противоположных плеча образованы реактивными звеньями. При заданном значении N схема фильтра построена следующим образом. Последовательно одна за другой, начиная с исходной схемы первого ранга и в каждую из последующих схем ранга n, содержащую 2 в степени n, n = 2...N-1 реактивных звеньев соответственно, вместо каждого из реактивных звеньев введена базовая мостовая схема с ключевыми диагональными и плечевыми элементами фильтра соответствующего n+1 ранга.

Сопоставление с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что его фильтр содержит не 2, а 2 в степени N реактивных звеньев, и не только три ключевых элемента первого ранга, а и ключевые элементы до (N+1)-го ранга включительно.

В результате анализа технических решений можно утверждать, что отсутствуют другие известные технические решения с подобными признаками и известные технические решения не позволяют достичь положительных эффектов, достигаемых предлагаемым изобретением.

Цель изобретения в предлагаемом способе - уменьшение емкостного фазового сдвига первой гармоники выходного тока преобразователя относительно первой гармоники выходного напряжения и обеспечение устойчивости преобразователя. Все ключевые элементы преобразователя могут быть реализованы на включаемых встречно-параллельно однооперационном однонаправленном ключевом элементе - далее тиристоре и неуправляемом диоде, причем все диоды во всех контурах, образованных источником, сглаживающим реактором и диодами, всегда направлены встречно напряжению источника, а сглаживающий реактор зашунтирован реактивным двухполюсником с емкостной реакцией на первую гармонику напряжения. В этом случае включению или времени запирания ключевого элемента преобразователя соответствует включение или время запирания тиристора соответственно.

Поставленная цель в способе достигается тем, что контролируют моменты перехода через нуль выходного тока и тока фильтра, при формировании каждого из полупериодов выходного напряжения после перехода выходного тока через нуль включают ключевые элементы соответствующих диагонально противоположных плеч выходного моста через временной интервал, превышающий время запирания ключевых элементов двух других плеч выходного моста, формируют в каждом из полупериодов последовательно три ступени напряжения, при этом для формирования первой и третьей ступени напряжения включают ключевые элементы диагонально противоположных плеч фильтра, а для формирования второй ступени напряжения включают диагональный ключевой элемент фильтра, при этом начинают переход с первой ступени напряжения на вторую через временной интервал, превышающий время запирания ключевых элементов диагонально противоположных плеч фильтра после первого после смены знака выходного напряжения момента перехода через ноль тока фильтра, начинают переход со второй ступени напряжения на третью через временной интервал времени, превышающий время запирания диагонального ключевого элемента фильтра после второго после смены знака выходного напряжения перехода через нуль тока фильтра, переход с первой ступени напряжения на вторую осуществляют через (2ⁿ-2) последовательно возрастающих уровня, а со второй на третью ступень напряжения через (2ⁿ-2) последовательно убывающих уровня, при этом при переходе первой на вторую ступень напряжения включают последовательно во времени диагональные ключевые элементы в порядке возрастания ранга фильтра, к которым они принадлежат, через временные интервалы, превышающие время запирания соответствующих плечевых ключевых элементов, а при переходе со второй на третью ступень напряжения включают последовательно во времени плечевые ключевые элементы фильтра в порядке убывания ранга фильтра, к которым они принадлежат, через временные интервалы, превышающие время запирания соответствующих диагональных ключевых элементов.

В предложенной последовательности действий в отличие от прототипа открывают после первого после смены знака выходного напряжения момента перехода через нуль тока фильтра через временной интервал, превышающий время запирания плечевых ключевых элементов первого ранга, не только диагональный ключевой элемент первого ранга, но и последовательно диагональные ключевые элементы фильтра более высоких рангов в порядке возрастания их ранга, через временные интервалы, превышающие время запирания соответствующего ранга соответствующих плечевых ключевых элементов, открывают после второго после смены знака выходного напряжения момента перехода через нуль тока фильтра через временной интервал, превышающий время запирания диагонального ключевого элемента первого ранга, не только плечевые ключевые элементы первого ранга, но и последовательно плечевые ключевые элементы фильтра более высоких рангов в порядке убывания их ранга через временные интервалы, превышающие время запирания соответствующего ранга соответствующих диагональных ключевых элементов. Отметим, что можно производить циклическую перестановку в последовательности открытия во времени как диагональных, так и плечевых ключевых элементов фильтра одинакового ранга.

В результате анализ технических решений можно утверждать, что отсутствуют другие известные технические решения с подобными признаками - операциями предложенного способа, и известные операции не позволяют достичь положительных эффектов, достигаемых предлагаемым изобретением.

На фиг. 1 представлена обобщенная схема преобразователя на полностью управляемых (двухоперационных) двунаправленных ключевых элементах. В этой схеме: 1 - источник постоянного напряжения, 2 - сглаживающий реактор, 3 - фильтр, представленный в общем виде как базовая мостовая схема первого ранга, 4 - 7 - ключевые элементы выходного моста, 8 - цепи нагрузки, 9 - 11 - ключевые элементы первого ранга, причем 10 - диагональный, а 9, 11 - плечевые, 12, 13 - квазиреактивные звенья первого ранга, которые могут рассматриваться как базовые мостовые схемы второго ранга, 14 - 19 - ключевые элементы второго ранга, причем 15, 18 - диагональные, а 14, 16, 17, 19 - плечевые, 20 - 23 - квазиреактивные звенья второго ранга, которые могут рассматриваться как базовые мостовые схемы третьего ранга, 24 - 35 - ключевые элементы третьего ранга, причем 25, 28, 31, 34 - диагональные, а 24, 26, 27, 29, 30, 32, 33, 35 - плечевые, 36 - 43 - квазиреактивные звенья третьего ранга, которые в свою очередь могут рассматриваться как базовые мостовые схемы четвертого ранга. Многоточия внутри блоков 36 - 43 символизируют, что в общем случае замена квазиреактивных звеньев n-го ранга на базовые мостовые схемы (n+1)-го ранга может быть продолжена до выполнения равенства n = N, где N - априори заданное базовое число. При выполнении равенства n = N, квазиреактивные звенья N-го порядка являются собственно реактивными LC-звеньями, содержащими в простейшем случае емкость.

На фиг. 2 представлены эпюра 2 в степени N-ступенчатого напряжения на выходе преобразователя и диаграмма состояния ключевых элементов. Цифры на оси абсцисс эпюры соответствуют порядковому номеру момента коммутации ключевых элементов в схеме, а на оси ординат диаграммы - номерам ключевых элементов схемы на фиг. 1. Жирными линиями на диаграмме отмечены временные интервалы, когда соответствующий ключевой элемент открыт.

На фиг. 3. представлена схема для частного случая N = 2, в которой квазиреактивные звенья 20 - 23 второго ранга не могут рассматриваться как базовые мостовые схемы третьего ранга, а должны быть реактивными звеньями без ключевых элементов. Эти звенья на фиг. 3 отображены в простейшем варианте в виде емкостей.

На фиг. 4 представлена схема преобразователя на ключевых элементах, реализованных каждый на включаемых встречно-параллельно однооперационном однонаправленном ключевом элементе - далее тиристоре и неуправляемом диоде - далее диоде, соответствующая частному случаю N = 2. В этой схеме: 44, 46, 48, 50 - тиристоры и 45, 47, 49, 51 - диоды, реализующие соответствующие ключевые элементы 4 - 7 выходного моста, 52, 54, 56 - тиристоры, 53, 55, 57 - диоды, реализующие ключевые элементы 9 - 11 первого ранга, 58, 60, 62, 64, 66, 68 - тиристоры, 59, 61, 63, 65, 67, 69 - диоды, реализующие соответствующие ключевые элементы 14 - 19 второго ранга, 70, 71 - датчики нулей тока нагрузки и тока фильтра, каждый из которых имеет по два выхода 0+ и 0-, причем знаки "+" и "-" относятся к производным соответствующего тока по времени в момент перехода тока через нуль, 72 - реактивный двухполюсник, имеющий емкостную реакцию на первую гармонику напряжения на этом реакторе.

На фиг. 5 представлены эпюры 4-ступенчатого напряжения на выходе преобразователя по схеме на фиг. 4, тока нагрузки, тока фильтра и диаграмма состояния его ключевых элементов. Цифры без штрихов на оси абсцисс эпюры соответствуют порядковому номеру момента коммутации ключевых элементов в схеме, а цифры со штрихами соответствуют порядковому номеру момента, когда ток нагрузки или ток фильтра равен нулю. Цифры на оси ординат диаграммы соответствует номерам ключевых элементов схемы на фиг. 4. Жирные линии на диаграмме указывают на временные интервалы, когда соответствующий ключевой элемент открыт.

В соответствии с предлагаемым устройством в схему фильтра введены последовательно одна за другой, начиная с исходной схемы первого ранга и в каждую из последующих схем ранга n, содержащую 2 в степени n, n = 2,3,...N-1 реактивных звеньев соответственно, вместо каждого из реактивных звеньев базовые мостовые схемы с ключевыми диагональными и плечевыми элементами фильтра соответствующего n+1 ранга. Причем исходная схема первого ранга формирует двухступенчатое напряжение, фильтр ее выполнен по базовой мостовой схеме, диагональ и два диагонально противоположных плеча которой образованы диагональным и плечевыми ключевыми элементами первого ранга, два других диагонально противоположных плеча образованы реактивными звеньями. При этом формируют многоступенчатое напряжение на нагрузке, используя выходной мост для формирования разнополярных импульсов напряжения и пауз между ними и используя многозвенный фильтр с вложенными друг в друга мостовыми структурами с ключевыми элементами возрастающего ранга для формирования однополярных многоступенчатых импульсов. На интервалах между коммутациями все реактивные звенья фильтра соединены последовательно-параллельно. На интервале монотонного изменения выходного напряжения каждый раз коммутируют только один диагональный или два плечевых ключевых элемента возрастающего или убывающего ранга, увеличивая или уменьшая максимальное число последовательно соединенных реактивных звеньев и изменяя вид соединения звеньев в диапазонах от только параллельного в интервалах пауз и формирования первых ступеней до только последовательного в интервалах формирования наибольших по модулю напряжений.

В соответствии с предлагаемым способом управляют преобразователем, в котором все ключевые элементы преобразователя могут быть реализованы на включаемых встречно-параллельно однооперационном однонаправленном ключевом элементе - далее тиристорное и неуправляемом диоде, причем все диоды во всех контурах, образованных источником, сглаживающим реактором и диодами, всегда направлены встречно напряжению источника, а сглаживающий реактор зашунтирован реактивным двухполюсником с емкостной реакцией на первую гармонику напряжения. В этом случае включению или времени запирания ключевого элемента преобразователя соответствует включение или время запирания тиристора соответственно. В соответствии с предлагаемым способом открывают последовательно во времени диагональные ключевые элементы фильтра в порядке возрастания их ранга после первого после смены знака выходного напряжения момента перехода через нуль тока фильтра через временной интервал, превышающий время запирания соответствующего ранга соответствующих плечевых ключевых элементов, открывают последовательно во время плечевые ключевые элементы фильтра в порядке убывания их ранга после второго после смены знака выходного напряжения момента перехода через нуль тока фильтра через временной интервал, превышающий время запирания соответствующего ранга соответствующих диагональных ключевые элементы, производят циклическую перестановку в последовательности открытия во времени как диагональных, так и плечевых ключевых элементов фильтра одинакового ранга.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В момент, отмеченный цифрой 1 на эпюре фиг. 2, в соответствии с диаграммой на фиг. 2 открыты ключевой элемент 4 и все плечевые ключевые элементы фильтра, ключевой элемент 7 открывается, а ключевой элемент 5 закрывается. После этого все реактивные элементы фильтра соединены параллельно и на нагрузке формируется первая ступень напряжения. В момент, отмеченный цифрой 2 на эпюре фиг. 2, в соответствии с диаграммой на фиг. 2 открыты ключевые элементы 4, 7 и все плечевые ключевые элементы фильтра, за исключением элементов 9, 11, которые закрываются, а диагональный ключевой элемент 10 открывается. После этого все реактивные элементы каждого из квазиреактивных звеньев 12, 13 фильтра соединены параллельно, а сами звенья 12, 13 последовательно, вследствие чего на нагрузке формируется вторая ступень напряжения. В момент, отмеченный цифрой 3 на эпюре фиг. 2, в соответствии с диаграммой на фиг. 2 открыты ключевые элементы 4, 7, 10 и все плечевые ключевые элементы фильтра, за исключением закрытых элементов 9, 11 и элементов 14, 16, которые закрываются, а диагональный ключевой элемент 15 открывается. После этого все реактивные звенья каждого из квазиреактивных звеньев 13, 20, 21 фильтра соединены параллельно, а сами звенья 13, 20, 21 последовательно, вследствие чего на нагрузке формируется третья ступень напряжения. Аналогичным образом в каждый из последующих моментов размыкаются два диагональных ключевых элемента наибольшего ранга и замыкается соответствующий плечевой ключевой элемент того же ранга, что приводит к увеличению напряжения на нагрузке. Так как плечевых ключевых элементов наибольшего ранга может быть несколько, то возможны различные последовательности их коммутации. Таким образом сразу после момента, отмеченного как 2 в степени N на эпюре фиг. 2, будут открыты все диагональные ключевые элементы фильтра и закрыты все плечевые ключевые элементы фильтра. При этом все реактивные звенья фильтра соединены последовательно и на нагрузке формируется максимальный уровень напряжения. После момента, отмеченного как единица плюс 2 в степени N на эпюре фиг. 2, открыты все диагональные ключевые элементы фильтра за исключением одного из диагональных элементов самого высокого ранга и закрыты все плечевые ключевые элементы фильтра за исключением соответствующих двух самого высокого ранга. При этом все реактивные звенья фильтра за исключением двух соединены последовательно. Аналогичным образом в каждый из последующих моментов размыкается один из диагональных ключевых элементов наибольшего ранга и замыкаются два соответствующих плечевых ключевых элемента того же ранга, что приводит к уменьшению напряжения на нагрузке. Так как диагональных элементов наибольшего ранга может быть несколько, то допустимы различные последовательности их размыкания. С целью равномерной загрузки реактивных звеньев и ключевых элементов одного ранга должна производиться циклическая перестановка от полупериода к полупериоду различных последовательностей коммутаций ключевых элементов одного ранга.

В частном случае при N = 2 для схемы устройства на фиг. 3 необходимые последующие коммутации следуют из диаграммы на фиг. 3.

В общем случае условия устойчивости схемы преобразователя на фиг. 1, в которой все ключевые элементы выходного моста и фильтра выполнены на соединяемых встречно-параллельно тиристоре и диоде, предопределены следующими обстоятельствами. Очевидно, устойчивость выходного моста обеспечивается в тех случаях, когда длительность каждого из временных интервалов одновременного открытого состояния обоих диагональных диодов превышает время запирания мостовых тиристоров. Что касается фильтра, то началу каждого временного интервала перехода от параллельного соединения всех реактивных звеньев фильтра к последовательному соединению всех реактивных звеньев - моменты, соответствующие отметкам 2 и 2^N+1+2 на эпюре фиг. 2, должен предшествовать временной интервал - первый диодный интервал, на котором открыты все плечевые диоды фильтра, шунтирующие все плечевых тиристоры. Это условие будет выполнено, если до перехода к первому последовательному соединению двух квазиреактивных звеньев ток фильтра станет положительным. Тогда последовательные включения диагональных тиристоров будут приводить к закрытию соответствующих плечевых диодов и возникновению положительных напряжений на соответствующих плечевых тиристорах, причем минимальное время восстановления, равное первому диодному интервалу, будут иметь плечевые тиристоры, соответствующие открываемому первым диагональному тиристору первого ранга, а максимальное время восстановления будут иметь открываемые последними плечевые тиристоры высшего ранга, соответствующие открываемому последним диагональному тиристору высшего ранга. Аналогичным образом началу каждого временного интервала перехода от последовательного соединения всех реактивных звеньев фильтра к параллельному соединению всех звеньев - момент, отмеченный как 2^N+1 на фиг. 2, должен предшествовать временной интервал - второй диодный интервал, на котором открыты все диагональные диоды фильтра, шунтирующие все диагональные тиристоры. Это условие будет выполнено, если до перехода к первому параллельному соединению двух реактивных звеньев ток фильтра станет отрицательным. Тогда последовательные включения плечевых тиристоров будут приводить к закрытию соответствующих диагональных диодов и возникновению положительных напряжений на соответствующих диагональных тиристорах, причем минимальное время восстановления, равное второму диодному интервалу, будет иметь диагональный элемент, соответствующий открываемым первыми плечевым тиристорам высшего ранга, а максимальное время восстановления будет иметь диагональный тиристор первого ранга, соответствующий открываемым последними плечевым тиристорам первого ранга. Таким образом, устойчивость преобразователя обеспечивается в тех случаях, когда: во-первых, открывают последовательно во времени диагональные тиристоры фильтра в порядке возрастания их ранга после первого диодного интервала - первого после смены знака выходного напряжения момента перехода через нуль тока фильтра, через временные интервалы, превышающие время запирания соответствующего ранга соответствующих плечевых тиристоров: во-вторых, открывают последовательно во времени плечевые тиристоры фильтра в порядке убывания их ранга после второго диодного интервала - после второго после смены знака выходного напряжения момента перехода через нуль тока фильтра через временные интервалы, превышающие время запирания соответствующего ранга соответствующих диагональных тиристоров. Анализ показывает, что необходимый опережающий сдвиг абсцисс первого и второго после каждой смены знака выходного напряжения нулей тока фильтра может быть обеспечен не только за счет увеличения емкостного фазового сдвига тока нагрузки, но и при включении параллельно сглаживающему реактору реактивного двухполюсника с емкостной реакцией на вторую гармонику напряжения на этом реакторе.

В частном случае при N = 2 условия устойчивости схемы преобразователя на фиг. 4, в которой все ключевые элементы выходного моста и фильтра выполнены на соединяемых встречно-параллельно тиристоре и диоде могут быть заданы следующим образом. Очевидно устойчивость выходного моста обеспечивается в тех случаях, когда длительность каждого из временных интервалов одновременного открытого состояния двух пар диодов 45, 51 и 47, 49 превышает время запирания мостовых тиристоров 44, 46, 48, 50. Что касается фильтра, то началу каждого временного интервала перехода от параллельного соединения четырех реактивных звеньев 20 - 23 фильтра к их последовательному соединению должен предшествовать временной интервал - первый диодный интервал, на котором открыты все плечевые диоды 53, 57, 59, 63, 65, 69 фильтра, шунтирующие все плечевые тиристоры 52, 56, 58, 62, 64, 68. Это условие будет выполнено, если до перехода к первому последовательному соединению квазиреактивных звеньев 12, 13 ток фильтра стане положительным. На эпюре токов и напряжений фиг. 5 ток фильтра равен нулю в момент, отмеченный цифрой 1 со штрихом, а первый диодный интервал заключен между точками, отмеченными цифрами 1 со штрихом и 2. Следующие после первого диодного интервала последовательные включения диагональных тиристоров 54, 60, 66 будут приводить к закрытию соответствующих плечевых диодов и возникновению положительных напряжений на соответствующих плечевых тиристорах, причем минимальное время восстановления будут иметь плечевые тиристоры 52, 56, соответствующие открываемому первым диагональному тиристору 54 первого ранга, а максимальное время восстановления будут иметь плечевые тиристоры 58, 62 или 64, 68, соответствующие открываемому последним диагональному тиристору 60 или 66 второго ранга. Аналогичным образом началу каждого временного интервала перехода от последовательного соединения всех реактивных звеньев 20 - 23 фильтра к их параллельному соединению должен предшествовать временной интервал - второй диодный интервал, на котором открыты все диагональные диоды 61, 55, 67 фильтра, шунтирующие все диагональные тиристоры 60, 54, 66. Это условие будет выполнено, если до перехода к первому параллельному соединению реактивных звеньев 20, 21 или 22, 23 ток фильтра станет отрицательным. На эпюре токов и напряжений фиг. 5 ток фильтра равен нулю в момент, отмеченный цифрой 2 со штрихом, а второй диодный интервал заключен между точками, отмеченными цифрами 2 со штрихом и 5. Следующие после второго диодного интервала последовательные включения плечевых тиристоров будут приводить к закрытию соответствующих диагональных диодов и возникновению положительных напряжений на диагональных тиристорах 60 или 66 и 54, причем минимальное время восстановления будет иметь диагональный тиристор 60 или 66, соответствующий открываемым первыми плечевым тиристорам 58, 62 или 64, 68 второго ранга, а максимальное время восстановления будет иметь диагональный тиристор 54, соответствующий открываемым последними плечевым тиристорам 52, 56 первого ранга. Как видно из эпюр токов и напряжений и диаграмм на фиг. 5, ток фильтра равен нулю дважды в интервале каждого полупериода и, следовательно, после каждой смены выходного напряжения имеют место соответствующие первый и второй диодные интервалы. С учетом обозначений направлений токов на фиг. 4 из эпюры фиг. 5 следует, что необходимый опережающий сдвиг абсцисс первого и второго после каждой смены знака выходного напряжения нулей тока фильтра может быть обеспечен при включении параллельно сглаживаемому реактору 2 реактивного двухполюсника 72 с емкостной реакцией на первую гармонику напряжения на этом реакторе.

Предлагаемое устройство и способ обладают следующими достоинствами в сравнении с прототипом и аналогами.

1. Формирование многоступенчатого напряжения, что делает возможным при минимальном емкостном фазовом сдвиге, обусловленном только временем выключения однооперационных однонаправленных ключевых элементов как компенсацию большего числа априори заданных высших гармоник, так и построение квазисинусоидального напряжения с априори заданным коэффициентом гармоник.

2. Пред и послекоммутационные напряжения на ключевых элементах фильтра меньше и снижаются с ростом числа ступеней, потому что эти напряжения определяются напряжениями на реактивных звеньев фильтра, которые уменьшаются с ростом числа этих звеньев. Аналогичный вывод справедлив и относительно ключевых элементов моста при работе на нагрузку близкую к активной. Отметим, что с ростом числа ступеней возрастают требования к быстродействию ключевых элементов, удовлетворению которых способствует снижение вышеуказанных напряжений. Кроме того, с каждым увеличением ранга ключевого элемента вдвое снижаются и номинальные напряжения на элементах этого ранга. Так, номинальные напряжения на ключевых элементах первого ранга равны суммарному напряжению на половине общего числа реактивных звеньев, напряжения же на ключевых элементах второго ранга равны суммарному напряжению на четверти общего числа реактивных звеньев и т.д.

3. Сохраняются основные достоинства прототипа - возможность реализации каждого из ключей инвертора в виде встречно-параллельного соединения диода и однооперационного однонаправленного ключевого элемента, причем всегда может иметь место мягкая естественная коммутация каждого управляемого ключевого элемента при переходе через нуль его силового тока и существенно, что производная этого тока по времени в нуле не превышает максимальной производственной выходного тока преобразователя. Это позволяет использовать при построении преобразователя в качестве однооперационных однонаправленных ключевых элементов, как имеющие наиболее высокие удельные весогабаритные, а также стоимостные показатели и перегрузочные коэффициенты однооперационные тиристоры, так и обладающие максимальным быстродействием силовые транзисторы с пропорциональным управлением [5].

Литература

1. А.С. СССР N 760335, кл. H 02 M 5/04, 1980.

2. А.С. СССР N 1092680, кл. H 02 M 5/27, 1984.

3. Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М., Энергоатомиздат, 1986.

4. Патент Российской Федерации RU 2032263 C1, кл. 6 H 02 M 7/521, 27.03.95 бюл. N 9.

5. Четти П. Проектирование ключевых источников электропитания: Пер. с анг. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 170.