способ коммутации тока в схемах реверсивных преобразователей на двухоперационных вентилях

Формула изобретения

Способ коммутации тока в схемах реверсивных преобразователей на двухоперационных вентилях, предполагающий одновременную подачу управляющих импульсов на каждую пару очередных вентилей, подключенных разноименными выводами к вступающей в работу фазе сети в составе разных встречно-параллельно соединенных мостовых вентильных комплектов преобразователя, путем плавного принудительного перевода тока нагрузки из одной коммутирующей фазы в другую под воздействием напряжения полярного демпфирующего конденсатора, работающего в режиме двустороннего обмена энергией с индуктивными элементами преобразователя и сети без накапливания заряда на его обкладках и соответствующего повышения уровня коммутационных перенапряжений, состоящий в том, что на первом этапе предварительно заряженный конденсатор подключают с помощью коммутирующих вентилей в параллель вентилю вступающей в работу фазы или цепи нагрузки с полярностью напряжения на обкладках, способствующей переходу тока в цепь конденсатора и уменьшению тока выключаемого вентиля выходящей из работы фазы при наблюдающемся частичном разряде конденсатора, а на втором этапе указанный конденсатор переключают таким образом, чтобы полярность напряжения на его обкладках способствовала уменьшению тока выходящей из работы фазы до нуля при повторном заряде конденсатора и его выключении до начала следующей коммутации, отличающийся тем, что на первом этапе коммутации во избежание перезаряда полярного конденсатора создают задержку на включение очередных вентилей в составе обоих вентильных комплектов, а в начале второго этапа запирают вентиль выходящей из работы фазы проводящего ток комплекта и подают отпирающие импульсы на очередные два противофазных вентиля, подключенных к одной фазе сети в составе разных вентильных комплектов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть применено для плавного проведения коммутаций тока при ограниченном уровне коммутационных перенапряжений в схемах двухкомплектных реверсивных преобразователей, выполняемых на новой элементной базе в виде двухоперационных тиристоров или транзисторных модулей.

Прерывание тока, сопровождающее коммутации двухоперационных вентилей в схемах непосредственных преобразователей, ввиду наличия в цепях коммутации согласующих индуктивных элементов: анодных реакторов, трансформаторов, а также самой сети, ведет к появлению значительных коммутационных перенапряжений. Защита от этих перенапряжений традиционными средствами на основе RC- или С_ф-цепей с разрядными резисторами снижает кпд преобразователя на несколько процентов и потому в большинстве случаев неэффективна. Более предпочтительными могут быть способы плавной коммутации тока с помощью демпфирующих полярных, например электролитических, конденсаторов, накапливание заряда в которых устраняется переводом в режим двухстороннего обмена энергией с индуктивными элементами преобразователя и сети (см. а.с. 607320, 610284, 855930, 143018).

Известно наиболее близкое техническое решение, состоящее в том, что на первом этапе каждой коммутации предварительно заряженный конденсатор подключают с помощью коммутирующих вентилей в параллель вентилю вступающей в работу фазы или цепи нагрузки с полярностью напряжения на обкладках, способствующей переводу тока в цепь конденсатора и уменьшению тока выключаемого вентиля выходящей из работы фазы. На данном этапе происходит частичный разряд конденсатора с передачей его энергии индуктивным элементам вступающей в работу фазы. На втором этапе коммутации указанный конденсатор переключают таким образом, чтобы полярность напряжения на его обкладках была встречной по отношению к току выходящей из работы фазы. На данном этапе конденсатор вновь заряжается до исходного уровня, получая энергию указанной фазы, при этом процесс заряда продолжается до момента достижения током выключаемой фазы нулевого уровня, после чего конденсатор естественным образом выключается и сохраняет свой заряд до начала следующей коммутации (см. А.С. 1580505, опубл. Б.И. 27, 1990 г.).

Достоинство данного способа проведения коммутаций в том, что ее начало не требует прерывания полного тока нагрузки двухоперационными вентилями, соответственно имеет место уменьшение их токовой нагрузки в переходных режимах, а также уменьшение времени выключения и коммутационных потерь. Требованиям электромагнитной совместимости с питающей сетью отвечает плавный характер изменения фазных токов, происходящий под воздействием разности напряжений на обкладках конденсатора и ЭДС сетевых фаз. Чередование заряда конденсатора с последующим разрядом в течение каждой коммутации исключает постепенное накапливание напряжения на обкладках, поэтому данный элемент совмещает сразу несколько функций, основными из которых являются защита преобразователя от перенапряжений и демпфирование тока выключаемых фаз.

Однако реализация данного способа получила апробацию пока лишь в нереверсивных схемах. Применение данного способа в двухкомплектных реверсивных схемах с совместным управлением вентильными комплектами встречает затруднения, так как приводит к недопустимому для электролитических конденсаторов перезаряду напряжения на его обкладках. Причина связана с тем, что совместное управление комплектами двухоперационных вентилей осуществляется одновременной подачей управляющих импульсов на очередные вентили вступающей в работу фазы в составе обоих вентильных комплектов (см. А.С. 2173929, опубл. Б. И. 26, 2001 г.). Такое управление вентильными комплектами является предпочтительным, так как исключает любую возможность появления уравнительного тока, а при условии подачи "широких" управляющих импульсов также и режима прерывистых токов нагрузки. Вместе с тем, в рассматриваемых схемах подобное управление может образовывать цепи замыкания конденсатора. Для недопущения возможного разряда, а затем и перезаряда конденсатора предлагается задерживать подачу управляющих импульсов на вентили обоих комплектов вступающих в работу фаз на время первого этапа коммутации, а в начале второго этапа запирать вентили выходящих из работы фаз проводящего ток комплекта и подавать управляющие импульсы на очередные противофазные вентили, подключенные к одной фазе сети в составе разных вентильных комплектов.

На фиг.1, 4 представлены примеры выполнения реверсивных преобразователей на двухоперационных вентилях, в которых возможно применить обсуждаемый способ, а на фиг.2, 3 - их схемы замещения. Реализация способа рассматривается на примере реверсивных преобразователей, выполненных по 3-фазной встречно-параллельной двухмостовой схеме выпрямления. Применение в данных схемах двухоперационных вентилей создает предпосылки для улучшения энергетических и динамических показателей, позволяя регулировать выходное напряжение всеми известными методами, при условии соответствующего изменения конструкции коммутирующих цепей. Так, например, в схеме фиг.1 такое регулирование возможно импульсно-фазовым методом. Данное устройство содержит двухоперационные вентили 1-6 в составе первого вентильного комплекта и вентили 7-12 в составе второго комплекта. Коммутирующие вентили 13-16 вместе с демпфирующими конденсаторами 17, 18 и диодными мостами 20, 21 образуют цепи для проведения плавных коммутаций. При этом вентили 15, 16, мост 21 и конденсатор 18 служат для проведения коммутаций в вентильных группах первого моста, а вентили 13, 14, диодный мост 20 и конденсатор 17 - в вентильных группах второго моста. Предположим, что на внекоммутационном промежутке времени управляющие импульсы, согласно указанному способу совместного согласованного управления, поступают на вентили 1, 2 в составе первого моста с углами управления ₁ = /2 и противопараллельные вентили 7, 8 второго моста с углами управления ₂ = /2. В результате появления на выходе преобразователя напряжения соответствующей полярности ток протекает через вентили 1, 2 первого комплекта и цепь нагрузки 19. Полагается, что демпфирующие конденсаторы 17, 18 заряжены с помощью диодных мостов 20, 21 и потому находятся в выключенном состоянии. Для проведения коммутации тока из фазы а с вентилем 1 в фазу b с вентилем 3 следует подготовить к включению очередные вентили вступающей в работу фазы 3, 9 и для начала первого этапа коммутации включить вентиль 12 с последовательно соединенными коммутирующими вентилями 15, 16. Как видно из схемы замещения фиг.2, это приведет к началу коммутации, так как суммарное напряжение конденсатора и ЭДС вступающей в работу фазы в любом случае будет превышать ЭДС выходящей из работы фазы. При этом ток одной из коммутирующих фаз будет замыкаться по цепи с элементами: фаза а, 1, 19, 2, фаза c, а ток другой фазы по цепи: фаза b, 12, 16, 18, 15, 19, 2, фаза c. Однако наличие короткозамкнутой цепи с вентилями 9, 12 может повлечь разряд конденсатора, а в дальнейшем и его перезаряд. Для устранения этой возможности предлагается задержать на время первого этапа подачу отпирающих импульсов на очередные вентили 3, 9 вступающей в работу фазы. Данное решение оказывается наиболее простым и, тем не менее, корректным, не приводящим к прерыванию тока нагрузки в случае изменения его направления, так как для его протекания будет подготовлена цепь с элементами 19, 7, фаза а, фаза с, 8. Последующее выключение вентилей выходящей из работы фазы 1, 7, а также вентилей 12, 15, 16 с подачей задержанных отпирающих импульсов на очередные вентили 3, 9 приведет к началу второго этапа коммутации, на котором ток нагрузки будет переходить в цепь 19, 2, фаза c, фаза b, 3, а ток выходящей из работы фазы а будет вынужден замыкаться по цепям, содержащим диоды моста 21 и встречно включенный демпфирующий конденсатор 18. Снижение этого тока до нуля и восстановление напряжения на обкладках конденсатора 18 приведет устройство коммутации в исходное состояние. Аналогичным образом осуществляются коммутации и в других вентильных группах преобразователя.

В схеме фиг. 4 регулирование выходного напряжения возможно широтно-импульсным способом. Данный преобразователь также выполнен по 3-фазной двухмостовой схеме на вентилях 22-27 (первый мост) и вентилях 28-33 (второй мост). Устройство плавной коммутации содержит коммутирующие двухоперационные вентили 35-38, образующие однофазный мост, к диагонали переменного тока которого подключена цепь нагрузки 34, а к диагонали постоянного тока - выводы демпфирующего конденсатора 39. Последний подключен к трехфазной сети с помощью диодного моста 40.

Рассмотрим работу устройства, полагая как и ранее, что на предшествующем коммутации интервале времени управляющие импульсы поданы на вентили обоих комплектов 22, 27 и 28, 33, а ток нагрузки замыкается по цепи с элементами: фаза а, 22, 34, 27 фаза С. Для реализации широтно-импульсного регулирования (ШИР) требуется одновременное попарное переключение вентилей моста, обеспечивающее циклическое подключение цепи нагрузки к сетевым источникам линейных напряжений. Принимая вариант знакопеременного ШИР, приходим к необходимости подключения к источникам линейных напряжений сети, находящихся в течение такта модуляции в противофазе. Этим обеспечивается необходимое изменение полярности выходного напряжения в течение каждого такта и соответственно, чередование выпрямительного и инверторного режимов работы преобразователя. При этом коммутации вентилей должны сопровождаться изменением направления тока на сетевом входе вентильного преобразователя. В рассматриваемом примере подобная коммутация предполагает одновременное выключение вентилей 22(28), 27(33) и включение вентилей 23(29), 26(32). Требуемое уменьшение тока выключаемых вентилей на первом этапе коммутации проще всего осуществляется уводом тока нагрузки в параллельную цепь с предварительно заряженным конденсатором. Для этого одновременно с подготовкой к включению указанных очередных вентилей в начале первого этапа, исходя из направления тока нагрузки, следует подать отпирающие импульсы на соответствующую пару коммутирующих вентилей, в данном случае с номерами 35, 36. Вследствие превышения начального напряжения конденсатора над напряжением сети ток нагрузки начнет переходить в цепь конденсатора с элементами 34, 36, 39, 35, что будет сопровождаться таким же уменьшением тока сетевых фаз а, c с вентилями 22, 27 и частичным разрядом конденсатора. Последующее на втором такте выключение работающих вентилей 22(28), 27(33), 35, 36 и включение очередных вентилей 23(29), 26(32) будет сопровождаться переходом тока нагрузки в цепь с элементами: 34, вентиль 23, диоды моста 40, встречно включенный конденсатор 39, вентиль 26. Это будет приводить к повторному заряду демпфирующего конденсатора, и после того, как напряжение на его обкладках начнет превышать междуфазную ЭДС сети, ток нагрузки начнет вытесняться в цепь с элементами 34, 23, фаза а, фаза c, 26, несмотря на присутствие в этой цепи встречного напряжения сети. Рассматриваемая коммутация завершится естественным выключением диодов моста 40 под воздействием обратного напряжения на обкладках конденсатора 39. Аналогично протекают коммутации в других вентильных группах. Анализ показывает, что в данной схеме также существует возможность нежелательного закорачивания конденсатора на первом этапе коммутации. На рассматриваемом интервале короткозамкнутую цепь образуют элементы 39, 33, 32. Техническим решением, устраняющим данную цепь, может служить упомянутая выше временная задержка при подаче отпирающих импульсов на вступающие в работу вентили обоих вентильных комплектов.