ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ С ПЛАВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для питания тяговых двигателей электроподвижного состава железнодорожного, промышленного и городского транспорта, аппаратов сварочного производства.
Известны преобразователи, выполненные на силовых тиристорах с импульсной коммутацией тока, в которых регулирование напряжений на нагрузке обеспечивается изменением частоты импульсов напряжения на выводе. В таких преобразователях силовые полупроводниковые ключи выполняются на максимально возможный ток нагрузки, что обуславливает значительное увеличение массы и габаритов оборудования и ограничивает частоту коммутации [1]. В связи с этим такие преобразователи оказываются в промышленных условиях совершенно не пригодны для использования. При этом мощность оборудования тиристорных ключей приходится выполнять с учетом обеспечения четкой коммутации - тока нагрузки при минимально возможном напряжении питающей сети.
Известны силовые полупроводниковые преобразователи выполненные на основе автономных инверторов напряжения с самокоммутацией тока через тиристоры последовательным колебательным контуром.
Наличие в структуре преобразователя автономного инвертоpa повышенной частоты обеспечивает возможность значительного уменьшения массы и габаритов реактивных элементов фильтра на входе, силового трансформатора и колебательного контура коммутации [2].
Однако, в таких преобразователях сохраняется недостаток, обусловленный наличием в их структуре силовых устройств колебатального контора коммутации тока тиристоров инвертора, что создает дополнительные потери электроэнергии.
Установленная мощность силового оборудования преобразователя постоянного напряжения значительно сокращается при выполнении его инвертора на биполярных транзисторах с полевым управлением (прототип). Благодаря такому выполнению преобразователя резко упрощается процесс коммутации тока автономным инвертором напряжения и из его структуры исключается дополнительное оборудование колебательного контура устройств коммутации. Однако в таких преобразователях сохраняется необходимость двойного преобразования энергии. При этом параметры силового оборудования автономного инвертора напряжения и выпрямителя высокой частоты должны быть определены из условия прохождения в длительном режиме полной мощности нагрузки. Это обстоятельство обуславливает значительное увеличение массогабаритных показателей и занижает экономические параметры.
Технической задачей настоящего изобретения является сокращение установленной мощности транзисторов автономного инвертора напряжения, выпрямителя высокой частоты и силового трансформатора преобразователя.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что предлагаемый преобразователь, выполненный на основе автономного инвертора напряжения на транзисторах с диодами встречной проводимости содержит LC фильтр переменной составляющей напряжения, подключенный на входе указанного инвертора, выпрямитель высокой частоты, выходные выводы которого через LC фильтр соединены с нагрузкой и подключены последовательно в цепь входа указанного инвертора При этом выходные выводы последнего связаны с входными выводами выпрямителя через силовой трансформатор от 0 до максимального посредством широтно-импульсной модуляции.
Снижение установленной мощности полупроводниковых приборов преобразователя обеспечивается подключением выходных выводов выпрямителя высокой частоты последовательно в цепь входных выводов автономного инвертора напряжения между эмиттерами его транзисторов и отрицательной шиной питающей сети. В результате такого построения схемы преобразователя напряжение на его выходе и нагрузке при максимальной длительности импульсов тока управления транзисторами, равной 0,5 периода инвертирования равно:
а ток на его выходе
вх
вх
где: U, I - напряжение и ток на входе преобразователя;
инв
d
U, U - напряжение на входе инвертора и выходе выпрямителя;
d
I - ток на выходе выпрямителя;
1
W, W2 - количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.
формулы (1) и (2) свидетельствуют о том, что при оптимальном значении коэффициента трансформации силового трансформатора равном 1, установленная мощность оборудования автономного инвертора в 2 раза меньше мощности нагрузки в номинальном режиме работы преобразователя. При промышленном использовании предлагаемого технического решения указанное значение коэффициента трансформации трансформатора целесообразно на железнодорожном и городском электрическом транспорте.
№ фиг.1, 2 приведены принципиальная схема преобразователя и временные диаграммы, иллюстрирующие его работу.
Преобразователь постоянного напряжения в постоянное с плавным регулированием выходных параметров содержит автономный инвертор напряжения, выполненный на транзисторах 1-4 со встречными диодами 5-8, подключенными указанным транзисторам, выпрямитель на диодах 9-12, силовой трансформатор 13, LC фильтр переменной составляющей напряжения, включающий конденсатор 14 и реактор 15, и драйвер 17, выходы которого через устройство гальванической развязки 18 связаны с выводами затворов транзисторов 1-4, обеспечивающий их отпирание в заданном алгоритме.
Дополнительно в состав преобразователя введен фильтр переменной составляющей напряжения, содержащий конденсатор 19 и реактор 20, подключенный на выходе выпрямителя высокой частоты.
В исходном состояния транзисторы 1-4 автономного инвертора напряжения закрыты.
1
у2
у2
вых
d
В момент времени t (фиг.2) напряжение запрета на входе драйвера 17 становится равным 0 и на его выходах формируются импульсы тока прямоугольной формы i, i, которые через устройство гальванической развяжи 18 поступают в цепи затворов транзисторов 1, 2 и 3, 4, обеспечивая их четкое поочередное включение. При этом невыходе автономного инвертора напряжения формируются импульсы напряжения прямоугольной формы U, а на выходе выпрямителя высокой частоты имеет место постоянное напряжение U с паузами 0,05 периода инвертирования.
В установившемся режиме работы преобразователя с увеличением длительности импульсов напряжение на выходе инвертора до максимально возможного значения напряжения на выходе преобразователя определяется выражением:
а ток через нагрузку
1
где: U - напряжение на входе преобразователя;
f - частота инвертирования;
и
Т - длительность импульсов инвертированного напряжения;
1
2
W, W - количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора;
н
R - сопротивление нагрузки.
При этом напряжение на входе инвертора в установившемся режиме работы получается равным:
Среднее значение тока на выходе выпрямителя высокой частоты
1
где: I - ток на входе преобразователя.
1
2
и
1
Оптимальным вариантом реализации предлагаемого преобразователя является случай, при котором W=W, а множитель 2fТ=0,95 и напряжение на входе инвертора становится равным 0,5 U и ток на выходе выпрямителя составляет 0,5 тока нагрузки, что свидетельствует о двукратном снижении установленной мощности основного оборудования преобразователя, включая световой трансформатор, благодаря уменьшению напряжения на его обмотках и тока через транзисторы инвертора.
1
Формулы (1) и (2) свидетельствуют о возможности плавного регулирования напряжения на выходе преобразователя в диапазоне от 0 до 0,5 U изменением длительности импульсов напряжения на выходе инвертора, сохранив при этом оптимальную величину скважности импульсов и возможность уменьшения индукции в магнитопроводе трансформатора практически до 0 в начальный момент пуска, например, тяговых двигателей электроподвижного состава.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. В.Д.Тулупов, Эффективность электороподвижного состава с импульсным управлением. «Железнодорожный транспорт», 1994, №3, с.46-55 и №4, с.49-58.
2. Л.Г.Кощеев. Тиристорный преобразователь постоянного напряжения 3 кВ в постоянное с плавным регулированием выходных параметров. «Электротехника», 2002, №6, с.21-26.
3. М.Э.Вейс, Ю.И.Голубенко, Н.К.Куксанов и др. Создание серии IGBT преобразователей частоты трансформаторного типа для питания промышленных ускорителей электронов. «Электротехника», 2001, №12, с.21-24.