Статический преобразователь напряжения
STATIC VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к области электротехники и железнодорожного транспорта, в частности к обратимым или двунаправленным статическим преобразователям напряжения, и преобразует напряжение постоянного тока одной величины в гальванически развязанное и стабилизированное напряжение постоянного тока другой величины для обеспечения электропитанием потребителей собственных нужд железнодорожных транспортных средств.
Известен статический обратимый преобразователь для питания потребителей переменного и постоянного тока по патенту РФ 2513547 с датой публикации 20.04.2014, содержащий первый порт «входа выхода» на стороне постоянного тока и второй порт «входа выхода» на стороне переменного тока. Между портами включены звено высокой частоты и звено автономного инвертора промышленной частоты, последовательно соединенные между собой, причем оба звена используются в инверторном и выпрямительном режимах.
Недостатком технического решения является отсутствие возможности формирования высокого напряжения контактной сети в режиме обратного преобразования вследствие использования низковольтных элементов.
Известен источник бесперебойного питания - статический обратимый преобразователь для питания потребителей переменного и постоянного тока и заряда (подзаряда) аккумуляторной батареи из патента РФ 2732280 с датой публикации 15.09.2020. Источник питания выполнен с промежуточным звеном высокой частоты и портами для подключения потребителей постоянного тока, и содержит трансформатор с вторичной обмоткой, подключенной к модулю однофазного инвертора с четырьмя транзисторами и четырьмя обратными диодами.
Недостатком преобразователя являются низкая эффективность преобразования энергии и большие потери, особенно при большой мощности преобразователя.
Из уровня техники известен вспомогательный преобразователь для железной дороги по патенту РФ 2494883 с датой публикации 10.07.2011. Силовая часть двухступенчатого вспомогательного преобразователя для железной дороги (ВП) состоит из повышающей ступени (ПС), DC-DC преобразователя и инверторов и содержит блок вспомогательных напряжений и систему управления. Входная ступень построена по повышающей схеме с высоковольтными ключами и высоковольтными диодами, а вторая ступень (DC-DC преобразователь) выполнена на основе полумостового резонансного преобразователя с использованием высоковольтных транзисторов.
Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности передачи электроэнергии с выхода на вход преобразователя.
Из уровня техники известен среднечастотный источник энергии для железнодорожного транспорта из патента ЕР 1226994 с датой публикации 31.07.2002. Электронная схема для двунаправленного преобразования высокого входного напряжения в выходное напряжение постоянного тока содержит первичный преобразователь, общий трансформатор с одной вторичной обмоткой и один вторичный преобразователь, подключенный к указанной вторичной обмотке. При этом первичный преобразователь включает в себя, по меньшей мере, три последовательно соединенные секции, выходные линии которых подключены к соответствующей одной из множества первичных обмоток трансформатора. При этом по меньшей мере три секции первичного преобразователя образованы одним входным четырехквадрантным преобразователем, по меньшей мере, одним конденсатором промежуточной цепи и одним полумостом. Каждой первичной обмотке трансформатора выделяется один резонансный конденсатор, а также каждой первичной обмотке трансформатора выделяется один последовательный резонансный конденсатор, образующий колебательный контур с катушкой индуктивности общего трансформатора. Входной фильтр выполнен в виде дросселя.
Резонансная частота колебательного контура выше или равна частоте коммутации по крайней мере с тремя секциями первичного преобразователя и создается полумостом.
Первичный преобразователь и вторичный преобразователь могут работать синхронно и в резонансном режиме работы, при этом в питающем режиме работы синхронизируются только полупроводниковые переключатели полумостов, тогда как в режиме работы с рекуперацией синхронизируются только полупроводниковые переключатели вторичного преобразователя.
Недостатком прототипа являются отсутствие возможности стабилизации или изменения напряжения, формируемого в режиме обратного преобразования.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является изобретение «Конвертор напряжения» по патенту РФ 2675726 с датой публикации 24.12.2018, содержащий дроссель и систему управления, две преобразовательные ячейки, включенные последовательно по входу и последовательно с дросселем. Преобразовательные ячейки выполнены по двухступенчатой схеме, где первая ступень выполнена по схеме трехуровневого повышающего регулятора напряжения, содержащего два силовых ключа, два диода, два конденсатора, образующих емкостный делитель напряжения; вторая ступень является полумостовым резонансным преобразователем, где в качестве силовых ключей используется пара последовательно включенных полупроводниковых ключей, нагрузкой полумостовых резонансных преобразователей являются первичные обмотки одного общего трансформатора, выходные обмотки трансформатора нагружены на выпрямители, выходы которых соединены параллельно.
Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности передачи электроэнергии с выхода на вход преобразователя.
Техническими задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются расширение функциональных возможностей, в частности - создание обратимого преобразователя напряжения с обеспечением возможности преобразования низковольтного напряжения промежуточного контура в регулируемое высоковольтное напряжение контактной сети; с одновременным уменьшением массы и габаритных размеров статического преобразователя.
Техническими результатами, на достижение которых направлено заявляемое изобретение, являются увеличение рабочей частоты и КПД преобразователя, а также возможность работы в режиме обратного преобразования - передачи электроэнергии в обратном направлении из промежуточного контура низкого напряжения в контактную сеть, в частности, для реализации режимов «ввод в депо» и «обточка колесных пар». Дополнительно обеспечивается возможность стабилизации или изменения напряжения, формируемого в режиме обратного преобразования; возможность ограничения или стабилизации выходного тока, формируемого в режиме обратного преобразования.
Технические результаты обеспечиваются за счет создания статического преобразователя напряжения, содержащего конденсатор на входе с подключенным к нему дросселем, образующие звено постоянного тока; к выходу дросселя подключены два соединенных последовательно трехуровневых повышающих преобразователя, нагруженных каждый на свой полумостовой инвертор напряжения. Каждый из этих повышающих преобразователей и подключенный к нему инвертор напряжения выполнены из IGBT-модулей (электронные полупроводниковые ключи) и силовых конденсаторов, причем каждый силовой ключ любого плеча полумоста инвертора напряжения состоит из двух последовательно соединенных IGBT-модулей. Между средней точкой силовых конденсаторов повышающего преобразователя и средней точкой силовых ключей, подключенного к нему инвертора напряжения, расположены последовательно резонансный конденсатор, резонансный дроссель и первичная обмотка общего силового высоковольтного трансформатора, образующие последовательный резонансный контур. Вторичная обмотка этого силового трансформатора подключена в диагональ мостовой схемы, выполненной из IGBT-модулей. К выходу этой мостовой схемы подключен силовой конденсатор, являющийся выходным конденсатором преобразователя напряжения. Система управления по заданному алгоритму может выдавать сигналы управления на IGBT-модули повышающего преобразователя, силовые ключи полумостового инвертора напряжения и на IGBT-модули мостовой схемы на выходе.
На фиг. 1 изображена структурная схема статического преобразователя.
Статический преобразователь напряжения содержит конденсатор 1 на входе с подключенным к нему дросселем 2, образующие звено постоянного тока; к выходу дросселя 2 подключены два соединенных последовательно трехуровневых повышающих преобразователя 3, к выходам которого подключены два полумостовых инвертора напряжения 4. Каждый из этих двух повышающих преобразователей 3 и подключенный к нему инвертор напряжения 4 выполнены из IGBT-модулей 5, 6 и силовых конденсаторов 7 причем каждый силовой ключ 8 любого плеча полумоста инвертора напряжения 4 состоит из двух последовательно соединенных IGBT-модулей 5. Между средней точкой силовых конденсаторов 7 повышающего преобразователя 3 и средней точкой силовых ключей 8, подключенного к нему инвертора напряжения 4, расположены последовательно резонансный конденсатор 9, резонансного дроссель 10 и первичная обмотка общего силового высоковольтного трансформатора 11. Вторичная обмотка этого силового трансформатора 11 подключена в диагональ мостовой схемы 12, выполненной из IGBT-модулей 13. К выходу мостовой схемы 12 подключен силовой конденсатор 14, образующий промежуточный контур низкого напряжения (уровня общепромышленной сети).
Система управления 15, в зависимости от режима работы, выдает сигналы управления на IGBT-модули 5 повышающего преобразователя 3 и силовые ключи 8 полумостового инвертора напряжения 4, сигналы управления при этом на мостовую схему 12 и на IGBT-модули 6 повышающего преобразователя 3 не выдаются, или система управления 15 выдает сигналы управления на IGBT-модули 13 мостовой схемы 12 и на IGBT-модули 6 повышающего преобразователя 3, при этом сигналы управления на IGBT-модули 5 повышающего преобразователя 3 и силовые ключи 8 инвертора напряжения 4 не выдаются.
Статический преобразователь работает следующим образом.
Статический преобразователь напряжения работает в двух режимах: в режиме передачи электроэнергии в прямом направлении из контактной сети в промежуточный контур (режим прямого преобразования) и в режиме передачи электроэнергии в обратном направлении из промежуточного контура в контактную сеть (режим обратного преобразования).
В режиме прямого преобразования на вход преобразователя подается высоковольтное напряжение от контактной сети. Включенные последовательно трехуровневые повышающие преобразователи 3 формируют высоковольтное напряжение каждый для своего полумостового инвертора напряжения 4, причем выходные конденсаторы 7 каждого из повышающих преобразователей 3 являются одновременно конденсаторами звена постоянного тока подключенных к ним инверторов напряжения 4. Система управления 15 выдает синхронно сигналы управления на IGBT-модули 5 включенных последовательно повышающих преобразователей 3 и на силовые ключи 8 подключенных к ним инверторов напряжения 4, а на IGBT-модули 6 повышающих преобразователей 3 и на IGBT-модули 13 мостовой схемы 12 сигналы управления не выдаются. Сигналы управления на IGBT-модули 5 выдаются со смещением на четверть периода друг относительно друга, что позволяет снизить амплитуду пульсации тока в дросселе 2 и уменьшить массу и габариты этого дросселя 2, что уменьшает массу и габаритные размеры конечного изделия. Силовые ключи 8 каждого полумостового инвертора 4 напряжения коммутируются с частотой всегда ниже частоты последовательного резонанса цепи, состоящей из конденсатора 9, дросселя 10 и индуктивности рассеяния подключенной к ним первичной обмотки общего силового трансформатора 11, поэтому коммутация силовых ключей 8 инвертора напряжения 4 происходит при минимальном токе через эти силовые ключи (режим ZCS). Защитный интервал времени (мертвое время) между коммутациями своих силовых ключей 8 каждого инвертора напряжения 4 подобран таким образом, что при выключении любого силового ключа 8 его внутренняя выходная емкость за это время успевает зарядиться до полного напряжения питания соответствующего инвертора напряжения 4. Таким образом, коммутация другого силового ключа 8 этого инвертора напряжения 4 происходит в нуле напряжения (режим ZVS). Работа инверторов напряжения 4 в режиме ZVS и ZCS обеспечивает минимизацию потерь при переключении и позволяет увеличить рабочую частоту и КПД преобразователя Инвертор напряжения 4 в резонансном режиме через силовой высоковольтный трансформатор 11 передает напряжение на вход мостовой схемы 12, которая в этом режиме преобразует переменное напряжение в постоянное для питания потребителей собственных нужд, подключенных к промежуточному контуру. При этом в мостовой схеме 12 управляющие сигналы на IGBT-модули 13 не выдаются, а выходной ток протекает через оппозитные (антипараллельные) диоды IGBT-модулей 13. Так совершается прямое преобразование электроэнергии.
При передаче энергии в обратном направлении, из промежуточного контура в контактную сеть система управления выдает сигналы на IGBT-модули 13 мостовой схемы 12 и шунтирует оппозитные диоды IGBT-модулей 6 входного повышающего преобразователя 3 посредством открытия IGBT-модулей 6, сигналы управления на IGBT-модули 5 при этом не выдаются. Мостовая схема 12 работает при этом в резонансном режиме, поскольку в цепи протекания выходного тока остались резонансный контур, состоящий из конденсатора 9 и дросселя 10 и обмотки трансформатора 11, что обеспечивает также минимизацию потерь при переключении, позволяет увеличить рабочую частоту и КПД преобразователя и улучшить режим помехоэмиссии.
Для стабилизации или изменения напряжения, формируемого в режиме обратного преобразования система управления 15 выдает одновременно сигналы управления на IGBT-модули 6, при выключении которых ток, развиваемый через дроссель 2 замыкается через оппозитные диоды IGBT-модулей 5 повышающего преобразователя 3. Таким образом в этом режиме работы реализуется импульсный регулятор напряжения понижающего типа, позволяющий стабилизировать или изменять напряжение, формируемое в режиме обратного преобразования. Также, в режиме обратного преобразования, система управления 15 получает данные о выходном токе и выдает сигналы на модули 6 для ограничения или стабилизации этого выходного тока. Это позволяет ограничить ток заряда конденсатора 1 в начальный момент работы в режиме обратного преобразования или ограничить ток при недопустимом характере нагрузки в формируемом напряжении контактной сети.
Уменьшение массы и габаритных размеров статического преобразователя реализуются за счет создания единого обратимого преобразователя, сочетающего в себе функции преобразования в прямом направлении (из контактной сети в промежуточный контур) и функции передачи электроэнергии в обратном направлении (из промежуточного контура в контактную сеть).