тиристорно-конденсаторный преобразователь

Формула изобретения

Тиристорно-конденсаторный преобразователь, содержащий тиристорный мост с дозирующими конденсаторами в диагонали переменного тока, включенный общими катодами последовательно с нагрузкой и тиристорным выключателем тока, причем нагрузка совместно с общими анодами тиристорного моста шунтирована первым обратным диодом, нагрузка совместно с тиристорным выключателем тока шунтирована вторым обратным диодом, связанным анодом с минусом источника питания, а также содержащий типовую систему управления и систему защиты, отличающийся тем, что упомянутая система защиты выполнена в виде трехобмоточного трансформатора, первая обмотка которого включена между плюсом источника питания и общими анодами тиристорного моста, вторая обмотка включена между катодом одного и анодом другого тиристора тиристорного моста так, что средняя точка второй обмотки образует один из выводов диагонали переменного тока тиристорного моста, вторая обмотка имеет вдвое большее число витков, чем первая и включена встречно по отношению к первой обмотке, а третья обмотка упомянутого трансформатора подключена к формирователю импульсов выключения, выход которого связан с управляющим входом тиристорного выключателя тока.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к транзисторным и тиристорным преобразователям с дозирующими конденсаторами в силовой цепи. Такие преобразователи нашли широкое применение в различных электротехнологических установках, требующих постоянства дозирования энергии при изменении нагрузки [1]. Для мощностей до 10-15 кВт обычно применяются транзисторно-конденсаторные преобразователи полумостового или мостового типа [2]. При больших мощностях предпочтительней становятся тиристорно-конденсаторные преобразователи [3, 4]. Примерами таких нагрузок могут служить печи ионного азотирования, электродуговые испарители для напыления металла и т.п. [4].

Тиристорно-конденсаторные преобразователи для нагрузок постоянного тока выполняются обычно по мостовой схеме, а для нагрузок переменного тока - по полумостовой схеме.

Общим недостатком упомянутых тиристорно-конденсаторных преобразователей является недостаточная надежность защиты от перегрузок при нарушении коммутации тиристоров.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является тиристорно-конденсаторный преобразователь, описанный в [4], рис.5.29 и 5.30 на стр.152, 153 и содержащий тиристорный мост с дозирующим конденсатором в диагонали переменного тока, подключенный последовательно с нагрузкой и тиристорным выключателем тока к соответствующим выводам источника питания, причем нагрузка совместно с тиристорным мостом шунтирована первым обратным диодом, а нагрузка совместно с тиристорным выключателем тока шунтирована вторым обратным диодом. Система защиты тиристорно-конденсаторного преобразователя содержит датчик напряжения на диагонали постоянного тока тиристорного моста, подключенный к компаратору сигнала датчика и сигнала опорного напряжения, а упомянутый компаратор через последовательно соединенные селектор длительности и формирователь импульсов выключения связан с управляющим входом тиристорного выключателя.

Упомянутый тиристорно-конденсаторный преобразователь принимается за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа относится то, что в известном устройстве в схеме защиты необходим селектор длительности, что приводит к запаздыванию срабатывания защиты, снижает ее надежность.

Схема прототипа приведена на фиг.1 и содержит в силовой части тиристорный мост 1-4 с дозирующим конденсатором 5 в диагонали переменного тока. Тиристорный мост 1-4 соединен последовательно с нагрузкой 6 и тиристорным выключателем тока 7, и эта последовательная цепь подключена к соответствующим выводам источника питания U_п. Нагрузка 6 совместно с тиристорным мостом 1-4 шунтирована первым обратным диодом 8, а второй обратный диод 9 шунтирует нагрузку 6 совместно с тиристорным выключателем тока 7. Тиристорный выключатель тока 7 состоит из двух объединенных катодами тиристоров: включающего тиристора 10 и выключающего тиристора 11, между анодами которых включен коммутирующий конденсатор. Общая точка коммутирующего конденсатора 12 и выключающего тиристора 11 через резистор 13 подключена к плюсу источника питания U_п . Следует отметить, что тиристорный выключатель тока 7 может быть заменен запираемым (GTO) тиристором без каких-либо изменений в остальной части схемы и принципе работы устройства фиг.1.

Система защиты тиристорно-конденсаторного преобразователя содержит датчик напряжения 14 на диагонали постоянного тока тиристорного моста 1-4, подключенный к компаратору 15 сигнала с датчика напряжения 14 и сигнала опорного напряжения U_оп. Компаратор 15 через последовательно соединенные селектор длительности 16 и формирователь импульсов выключения 17 связан с управляющим входом выключающего тиристора 11. Система управления 18 является типовой и приведена на фиг.1 лишь для иллюстрации ее связей с тиристорным инвертором 1-4 и тиристорным выключателем тока 7.

Технический результат - повышение быстродействия и надежности системы защиты устройства от перегрузок при нарушениях коммутации тиристорного инвертора.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем тиристорный мост с дозирующим конденсатором в диагонали переменного тока, включенный общими катодами последовательно с нагрузкой и тиристорным выключателем тока, причем нагрузка совместно с общими анодами тиристорного моста шунтирована первым обратным диодом, нагрузка совместно с тиристорным выключателем тока шунтирована вторым обратным диодом, связанным анодом с минусом источника питания, а также содержащем типовую систему управления и систему защиты, упомянутая система защиты выполнена в виде трехобмоточного трансформатора, первая обмотка которого включена между плюсом источника питания и общими анодами тиристорного моста, вторичная обмотка включена между катодом одного и анодом другого тиристора тиристорного моста так, что средняя точка второй обмотки образует один из выводов диагонали переменного тока тиристорного моста, вторая обмотка имеет вдвое большее число витков, чем первая и включена встречно по отношению к первой обмотке, а третья обмотка упомянутого трансформатора подключена к формирователю импульсов выключения, выход которого связан с управляющим входом тиристорного выключателя тока.

Это позволило исключить из схемы устройства компаратор и главное, селектор длительности, тем самым обеспечить быстродействие и высокую надежность защиты. Более того, в предложенном устройстве, как поясняется ниже, обеспечивается превентивный характер защиты: ток при срыве коммутации тиристорного моста практически не возрастает. Таким образом, технический результат достигнут.

Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2 и содержит тиристорный мост 1-4 с дозирующим конденсатором 5 в диагонали переменного тока, включенный последовательно с нагрузкой 6 и тиристорным выключателем тока 7. Нагрузка 6 совместно с общими анодами тиристорного моста 1-4, т.е. с анодами тиристоров 1 и 4, шунтирована первым обратным диодом 8. Нагрузка 6 совместно с тиристорным выключателем тока 7 шунтирована вторым обратным диодом 9, связанным анодом с минусом источника питания U _п. Типовая система управления 10 подключена своими выходами к соответствующим управляющим входам тиристорного моста 1-4 и тиристорного выключателя тока 7. Система защиты выполнена в виде трехобмоточного трансформатора 11, первая обмотка 12 которого включена между плюсом источника питания U_п и общими анодами тиристорного моста 1-4, причем число витков второй обмотки 13 вдвое больше числа витков первой обмотки 12 и включены эти обмотки встречно по отношению друг к другу. Средняя точка второй обмотки 13 делит всю указанную обмотку на первую и вторую полуобмотки с одинаковым числом витков и образует один из выводов диагонали переменного тока тиристорного моста 1-4. Третья обмотка 14 упомянутого трансформатора 11 подключена к формирователю импульсов выключения 15, выход которого связан с управляющим входом тиристорного выключателя тока 7.

Устройство функционирует следующим образом.

При включении напряжения питания U_п и типовой системы управления 10 на управляющие входы тиристоров 1, 2 поступают отпирающие импульсы тока i₁ (диаграмма 1 на фиг.3), а на управляющие входы тиристоров 3, 4 поступают отпирающие импульсы тока i₂ (диаграмма 2 на фиг.3), сдвинутые во времени на половину межимпульсного интервала. На управляющий вход тиристорного выключателя тока 7 отпирающие импульсы тока i₃ следуют с двойной частотой (диаграмма 3 на фиг.3), то есть тиристорно-конденсаторный преобразователь питает нагрузку 6 при циклическом перезаряде дозирующего конденсатора 5, напряжение которого U_c показано на диаграмме 4, фиг.3. В паузы t_п, необходимые для восстановления запирающих свойств диагональной пары тиристоров 1, 2 или 3, 4, напряжение U_c практически равно напряжению U_п. Ток нагрузки на интервале перезаряда дозирующего конденсатора 5 протекает по первой обмотке 12 и по первой полуобмотке обмотки 13, либо по первой обмотке 12 и по второй полуобмотке обмотки 13 трехобмоточного трансформатора 11. На интервале паузы t_п ток нагрузки 6 замыкается через тиристорный выключатель тока 7 и второй обратный диод 9, а при отключении тиристорного выключателя тока 7 (оперативном или аварийном) ток нагрузки 6 замыкается через первый обратный диод 8, первую обмотку 12 трехобмоточного трансформатора 11, источник питания U_п и второй обратный диод 9. При этом происходит быстрый спад тока i_d (диаграммы 5 и 6 на фиг.3, где i₄ - импульс выключения).

Принципиальное отличие заявленного устройства (фиг.2) от прототипа (фиг.1) заключается в следующем. При нормальной работе тиристорного моста 1-4 ток нагрузки протекает, например, через первую обмотку 12 и полуобмотку второй обмотки 13, т.е. через обмотки с равным числом витков, включенные встречно и образующие бифилляр, следовательно, суммарные ампервитки равны нулю. Соответственно, равно нулю и индуктивное сопротивление этих обмоток. Аналогичная картина имеет место и при включенной диагонали тиристоров 3-4. Резистивным сопротивлением можно пренебречь, т.е. в рабочем режиме устройство (фиг.2) функционирует аналогично прототипу (фиг.1). При срыве коммутации, например, при одновременном отпирании тиристоров 1 и 3 ток от источника U_п должен проходить через первую обмотку 12 и всю вторую обмотку 13 трехобмоточного трансформатора 11. Этот ток, пока трехобмоточный трансформатор 11 не насытится, не превзойдет тока намагничивания, т.е. цепь короткого замыкания будет практически заперта. Достаточно выбрать параметры трехобмоточного трансформатора 11 такими, чтобы время его насыщения было равно времени отключения тиристорного выключателя тока 7, на который в аварийном режиме поступает с третьей обмотки 14 через формирователь импульсов выключения 15 сигнал отключения. Аналогичная картина имеет место и при замыкании через тиристоры 2 и 4. В этом случае ток намагничивания идет только через первую обмотку 12 трехобмоточного трансформатора 11. Заметим, что поскольку время выключения тиристорного выключателя тока 7 мало (десятки микросекунд), то и габариты трехобмоточного трансформатора 11 малы и его включение в силовую цепь тиристорно-конденсаторного преобразователя не является недостатком. При каждом выключении тиристорного выключателя тока 7 происходит размагничивание трехобмоточного трансформатора 11 при отдаче электромагнитной энергии нагрузки в источник питания U_п, т.е. трехобмоточный трансформатор 11 используется по полной петле гистерезиса, а предложенная защита безинерционна и ограничивает ток на ничтожном уровне.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Л.Т.Магазинник. Однофазные источники питания инверторного типа с конденсаторами в силовой цепи. Электромеханика. Изв. вузов №6, 2003 г., с.21-24.

2. Вторичный источник питания. Патент №2131640 от 12.01.98. Авторы изобретения: Магазинник Г.Г., Шингаров В.П., Магазинник Л.Т.

3. В.С.Руденко, В.И.Сенько, И.М.Чиженко «Преобразовательная техника», «Высшая школа», 1978, рис.5.19, 424 с.

4. О.Г.Булатов и др. - Тиристорно-конденсаторные источники питания для электротехнологии. - М.: «Энергоатомиздат», 1989, с.152, рис.5.29, с.153, рис.5.30.