преобразователь постоянного напряжения в постоянное с устройством стабилизации выходных параметров

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий инвертор напряжения, выполненный на тиристорах со встречными диодами и самокоммутацией тока колебательным контуром, подключенным на его выходе, трансформатор, выпрямитель, выход которого зашунтирован конденсатором, первое вольтодобавочное устройство, в состав которого входит управляемый выпрямитель, подключенное последовательно в цепь входа инвертора напряжения, и блок управления, включающий генератор тактовых импульсов, формирователь импульсов тока управления тиристорами инвертора напряжения и выпрямителя с устройством гальванической развязки, дифференциальный операционный усилитель и фазосдвигающее устройство, отличающийся тем, что дополнительно введено второе вольтодобавочное устройство, подключенное последовательно с первым вольтодобавочным устройством в цепь входа инвертора напряжения, а его выпрямитель содержит два диода и n пар тиристоров, фазные выводы которых соединены с соответствующими отпайками второй дополнительной обмотки трансформатора и конденсатор, подключенный на выходе; аналого-цифровой преобразователь с дешифратором, коммутатор импульсов тока управления тиристорами выпрямителя с блоком гальванической развязки; при этом вход указанного аналого-цифрового преобразователя связан со входом преобразователя через делитель напряжения, а количество витков каждой отпайки вторичной обмотки определено из условия обеспечения на входе инвертора напряжения, величина которого равна наибольшему значению напряжения питающей сети, а емкость конденсатора на выходе второго вольтодобавочного устройства определена из условия

C_ф= (T_o-t_q)²/²L_s,

где T_o - период собственных колебаний контура инвертора напряжения;

t_q - время выключения тиристоров инвертора напряжения;

L_s - индуктивность рассеяния дополнительной вторичной обмотки трансформатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для преобразования постоянного напряжения в постоянное стабильное.

Известны преобразователи, выполненные на полупроводниковых приборах, со стабилизацией напряжения на выходе, в которых стабильность напряжения на нагрузке обеспечивается автоматическим изменением либо частоты импульсов напряжения на выходе инвертора, либо их длительности при колебаниях напряжения на выходе или тока нагрузки. Такие преобразователи содержат автономный инвертор напряжения, выполненный по схеме со встречными диодами и самокоммутацией тока тиристоров последовательным колебательным контуром, и неуправляемый выпрямитель в случае частотного регулирования или управляемый выпрямитель с широтно-импульсной модуляцией. Для автоматического изменения частоты или длительности импульсов напряжения на выходе инвертора в системе управления предусмотрен дифференциальный операционный усилитель, источник опорного напряжения и регулятор частоты или фазосдвигающее устройство.

Однако такой преобразователь обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что для обеспечения четкой коммутации тока тиристорами инвертора необходимо мощность контура коммутации определять по минимальному напряжению на входе преобразователя.

Мощность оборудования контура коммутации тока тиристора значительно сокращается при выполнении преобразователя напряжения по схеме, в которой выход инвертора соединен с первичной обмоткой трансформатора через конденсатор, а для стабилизации напряжений на входе инвертора и выходе выпрямителя в него введены тиристорное вольтодобавочное устройство (ВДУ), вход которого через трансформатор связан с выходом инвертора, а выход подключен последовательно на входе инвертора. При этом управление ВДУ осуществляется дополнительным блоком управления с фазосдвигающим устройством, выходы которого соединены с управляющими переходами соответствующих тиристоров выпрямителя, а вход связан с выходом дифференциального операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен через делитель напряжения с выходом преобразователя, а неинвертирующий вход - с выходом источника опорного напряжения /1/.

Наличие в схеме (прототип) преобразователя указанного конденсатора при определенном значении емкости обеспечивает синусоидальную форму импульсов тока нагрузки через вентили инвертора и выпрямителя.

Благодаря этому осуществляется устойчивая коммутация тока через тиристоры инвертора при меньшей мощности оборудования контура коммутации. При этом ВДУ обеспечивает стабилизацию напряжения на входе инвертора и выходе преобразователя на заданную величину амплитуды импульса тока контура коммутации.

Однако в ряде случаев использования преобразователей постоянного напряжения в постоянное стабильной величины установленная мощность оборудования контура коммутации, определяемая выражением

S_куст = P_н(U_1max/U_1min-1),

где P_н - номинальное значение мощности нагрузки;

U_1max, U_1min - максимальное и минимальное значение напряжения,

обусловлена диапазоном изменения напряжения питающей сети и при установленной ГОСТом для железнодорожного транспорта глубине изменения напряжения в тяговой сети составляет 0.8 от номинальной мощности преобразователя, что существенно ухудшает его массогабаритные и экономические показатели.

Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности дальнейшего уменьшения установленной мощности оборудования и массы преобразователя.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что предлагаемый преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий автономный инвертор напряжения, выполненный на тиристорах с диодами встречного включения и коммутацией тока колебательным контуром, подключенным на его выходе, трансформатор, выпрямитель, на выходе которого подключен конденсатор фильтра, вольтодобавочное устройство (ВДУ), в состав которого входит управляемый выпрямитель, подключенный последовательно в цепь входа инвертора напряжения, и вход соединен с выводами дополнительной вторичной обмотки трансформатора, блок управления, включающий генератор тактовых импульсов и формирователь импульсов тока управления, выходы которых связаны с управляющими переходами тиристоров инвертора напряжения и управляемого выпрямителя через элементы гальванической развязки, а также дифференциальный операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с выходом преобразователя через делитель напряжения, а неинвертирующий вход - с выходом источника опорного напряжения и фазосдвигающее устройство; дополнительно введены второе вольтодобавочное устройство, выход которого подключен последовательно с первым вольтодобавочным устройством в цепь входа указанного инвертора напряжения, выпрямитель которого содержит два диода, П пар тиристоров и конденсатор фильтра; аналого-цифровой преобразователь (АЦП), дешифратор, информационные входы которого соединены с цифровыми выходами указанного аналого-цифрового преобразователя, и коммутатор, выходы которого связаны с управляющими переходами тиристоров второго вольтодобавочного устройства через блок гальванической развязки. При этом аналоговый вход АЦП присоединен к входным клеммам преобразователя через делитель напряжения. Благодаря предлагаемому решению поставленной задачи обеспечивается дискретное изменение напряжения на выходе второго вольтодобавочного устройства при больших диапазонах колебания напряжения на входе преобразователя. В результате этого компенсируется изменение напряжения на выходе преобразователя, сокращается номинальная мощность первого ВДУ и уменьшается установленная мощность оборудования колебательного контура коммутации тока тиристоров инвертора напряжения.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого преобразователя, а на фиг. 2 - диаграммы напряжения и токов, иллюстрирующие его работу.

Предлагаемый преобразователь постоянного напряжения в постоянное содержит автономный инвертор напряжения, выполненный на тиристорах 1, 2 со встречными диодами 3, 4 и колебательным контуром 5, трансформатор 6, первичная обмотка которого подключена к выводам инвертора через конденсатор 7, выпрямитель на диодах 8-11, выход которого зашунтирован конденсатором 12, первое ВДУ, в состав которого входит управляемый выпрямитель на диодах 13, 14 и тиристорах 15, 16, с широтно-импульсным регулированием и блок управления 17, включающий генератор тактовых импульсов и формирователь импульсов тока, выход которого связан с управляющими переходами тиристоров инвертора напряжения через блок гальванической развязки 18. Кроме этого, выход формирователя импульсов тока указанного блока управления связан со входом фазосдвигающего устройства 19, выход которого через блок гальванической развязки 20 связан с управляющими переходами тиристоров 15, 16, а его вход управления через дифференциальный операционный усилитель 21 соединен с выходом преобразователя через первый делитель напряжения 22. Уровень напряжения на выходе преобразователя устанавливается величиной напряжения источника опорного напряжения 44.

Дополнительно в состав преобразователя введены второе вольтодобавочное устройство на диодах 23, 24 и тиристорах 25-30, обеспечивающих коммутацию отпаек вторичной обмотки трансформатора 6, выход которого подключен последовательно с первым ВДУ в цепь входа указанного инвертора напряжения, аналого-цифровой преобразователь 31, дешифратор 32, коммутатор 33 импульсов тока управления, выход которого через блок гальванической развязки 34 соединен с управляющими переходами тиристоров 25-30. Вход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом преобразователя через делитель напряжения 35.

В схеме преобразователя для уменьшения переменной составляющей напряжения на выходе и обеспечения синусоидальной формы импульсов нагрузочной составляющей тока включены конденсаторы 36, 37 на входе автономного инвертора напряжения и 38, 39 на выходах выпрямителей первого и второго ВДУ. Нагрузка подключается к выходным клеммам 40, 41, а питание подается на клеммы "0" и "+".

В исходном состоянии конденсаторы 36, 37 заряжены до напряжений, равных 0,5 напряжения на входе преобразователя, а конденсаторы 38, 39 разряжены. Импульсы тока управления в цепях управляющих переходов тиристоров 1, 2 инвертора, 15, 16 выпрямителя первого ВДУ и 25-30 второго ВДУ отсутствуют.

В момент времени t₁ импульс тока управления i_y1 (фиг. 2) поступает в цепь управляющего перехода тиристора 1 и одного из тиристоров группы 25-30 (например, 25) второго ВДУ. В результате отпирания тиристора 1 первичная обмотка трансформатора 6 через конденсатор 7 подключается к конденсатору 36 фильтра на входе преобразователя. При этом на первичной обмотке трансформатора 6 появляется импульс напряжения U₁ формой, близкой прямоугольной, а в контуре, образованном указанной обмоткой трансформатора, конденсатором 7, тиристором 1 и конденсатором 36, появляется импульс тока i₁ синусоидальной формы. Длительность такого импульса определяется результирующей емкостью конденсаторов контура и индуктивностью рассеяния трансформатора. Кроме этого, в контуре, содержащем тиристор 1 и диод 3, соединенные встречно-параллельно, последовательный колебательный контур 5 и конденсатор 36, протекает импульс тока i_к синусоидальной формы. В момент времени t₂ результирующий ток i_о колебательного контура 5 и первичной обмотки трансформатора 6 подходит к нулю и происходит выключение тиристора 1. При этом обратная полуволна тока колебательного контура протекает через диод 3, а импульс тока первичной обмотки трансформатора 6 при наличии в схеме выпрямителей на диодах 8-11 и второго ВДУ с конденсаторами 12 и 39 в момент времени t₃ подходит к нулю.

В момент времени t₄ обратная полуволна тока i_к колебательного контура подходит к нулю и диод 3 выключается. В результате этого происходит отключение первичной обмотки трансформатора 6 от конденсатора 36, и на тиристоре 1 восстанавливается прямое напряжение.

В момент времени t₅ блок управления обеспечивает формирование импульса тока i_y2 и отпирание тиристоров 2 инвертора и 26 выпрямителя второго ВДУ. При этом первичная обмотка трансформатора 6 подключается к конденсатору 37 фильтра на входе автономного инвертора напряжения. На обмотках указанного трансформатора появляется импульс напряжения обратной полярности и в контуре, образованном тиристором 2, конденсатором 37, первичной обмоткой указанного трансформатора и конденсатором 7, появляется импульс тока i₁ обратного направления синусоидальной формы и импульс тока i_к колебательного контура 5. В момент времени t₆ результирующий ток i_о указанных цепей через тиристор 2 подходит к нулю и происходит его выключение. При этом обратная полуволна тока колебательного контура 5 протекает через диод 4, а импульс тока i₁, обусловленный нагрузкой благодаря наличию в схеме выпрямителей в момент времени t₇, подходит к нулю. В момент времени t₈ обратная полуволна тока i_к колебательного контура подходит к нулю и диод 4 выключается. С этого момента происходит отключение первичной обмотки трансформатора.

Далее при появлении импульсов тока i_y1, i_y2 электромагнитные процессы при работе инвертора протекают аналогично описанным выше. В установившемся режиме работы преобразователя напряжение на выходе второго ВДУ U_d1 содержит переменную составляющую двойной частоты.

В случае малых изменений напряжения на выходе преобразователя его стабилизация обеспечивается автоматическим изменением напряжения на выходе первого ВДУ, обусловленным отклонением напряжения на выходе делителя напряжения 22 и соответствующим сдвигом во времени импульсов тока управления тиристорами 15, 16, фазосдвигающим устройством 19. При этом напряжение на выходе выпрямителя первого ВДУ U_d2 имеет прямоугольную форму двойной частоты. Наличие в схеме ВДУ LC фильтра обеспечивает значительное уменьшение переменной составляющей напряжения U_вых на конденсаторе 38. При больших изменениях напряжения на входе преобразователя аналого-цифровой преобразователь 31 обеспечивает автоматическое переключение отпаек второй дополнительной вторичной обмотки трансформатора 6 на входе выпрямителя второго ВДУ тиристорами 25-30 благодаря подключению выхода формирователя импульсов блока управления 17 через коммутатор 23 и блок гальванической развязки 34 к управляющим переходам соответствующей группы указанных тиристоров в зависимости от напряжения на входе преобразователя. В результате этого суммарное напряжение на входе автономного инвертора поддерживается на уровне, близком к уровню наибольшего напряжения питающей сети. При этом количество витков каждой отпайки дополнительной вторичной обмотки трансформатора можно определить по формуле

W_с = W₁K_и/n;

K_и = (U_1max-U_2min)/U_1max,

где W₁ - количество витков первичной обмотки трансформатора;

K_и - коэффициент изменения напряжения на входе преобразователя;

n - количество групп тиристоров выпрямителя второго ВДУ.

С целью обеспечения синусоидальной формы импульсов тока через вентили выпрямителя второго ВДУ емкость конденсатора 39 фильтра на его выходе должна быть равна

C_ф= (T_o-T_q)²/²L_s,

где T_о - период собственных колебаний контура инвертора;

t_q - время выключения тиристоров инвертора;

L_s - индуктивность рассеяния дополнительной вторичной обмотки трансформатора.

Использованные источники

1. А. С. N 1163435. H 02 M 3/137. Преобразователь постоянного тока в постоянный. /Л.Г.Кощеев.// Бюллетень изобретений N 23, 1985.