СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Предлагаемое техническое решение относится к силовой преобразовательной технике, в частности к тиристорным преобразователям электроэнергии с промежуточным звеном повышенной частоты и предназначено для использования в преобразователях с квантовым способом преобразования электроэнергии.
Известные преобразователи такого типа, содержащие LC-колебательный контур на входе [см, например, пат. РФ №2085013 от 1992 г.; Castilla M и др. On the Design of Sliding Mode Control Schemes for Quantum Resonant Converters. - IEEE Trans. On Power Electronics, 2000, vol.15, No.6, November; Shamala А. и др. A DSP Controlled Variable-Frequensy Resonant-Commutated Converter. - IEEE Trans. on Power Electronics, 2000, vol.15, No.3, May.], обладают тем недостатком, что при малых нагрузках и холостом ходе (XX) они теряют работоспособность. Это явление свойственно квантовым преобразователям и вызвано накоплением заряда на конденсаторе после каждого колебания из-за потерь в колебательном контуре.
Данный факт подтверждается в статье [Чванов В.А. Преобразователи с дозированной передачей электроэнергии. Электричество, 2005, №6.], где на рис.1 приведена схема преобразователя, принятого в качестве прототипа. Преобразователь содержит LC-колебательный контур, подключаемый к источнику питания встречно-параллельно соединенными тиристором и диодом, включенными последовательно в цепь дросселя колебательного контура, пару встречно-параллельно соединенных тиристоров, включенных параллельно конденсатору контура, и сглаживающую индуктивность, через которую к конденсатору подключается нагрузка. Как было указано выше, недостатком такого преобразователя является нарушение работоспособности при холостом ходе и малых нагрузках.
Целью настоящего предложения является устранение указанного недостатка, т.е. обеспечение надежной работы преобразователя во всех режимах.
Это достигается введением в схему устройства цепи из последовательно соединенных индуктивного сопротивления и тиристора, включенной параллельно дроссельной цепи колебательного контура, между точкой соединения конденсатора колебательного контура с его дроссельной цепью и соответствующим полюсом источника питания.
Для пояснения существа предложения на фиг.1 приведена осциллограмма работы схемы-прототипа, полученная с помощью математической модели; на фиг.2 приведена схема предлагаемого устройства; на фиг.3 - осциллограмма, поясняющая его работу.
0
0
Предлагаемый преобразователь содержит, как и прототип, индуктивность колебательного контура 1 (L), включенные встречно-параллельно тиристор 2 и диод 3, включающие и отключающие колебательный контур от источника питания постоянного тока Е для осуществления каждого колебания и паузы между колебаниями, конденсатор колебательного контура 4 (С) и цепь нагрузки, включающую в себя встречно-параллельно соединенные тиристоры 5, 6, включенные параллельно конденсатору 4, сглаживающую индуктивность 7, включенную между конденсатором и нагрузкой 8 (при XX эта цепь отсутствует). В отличие от прототипа предлагаемый преобразователь содержит дополнительно цепь разряда конденсатора 4 из последовательно соединенных тиристора 9 (Tu) и индуктивности 10 (Lu). Указанная цепь включена между полюсом + источника питания Е и точкой соединения конденсатора 4 с дроссельной цепью колебательного контура.
Работа предлагаемого преобразователя поясняется с помощью осциллограмм, на которых ico - ток конденсатора 4 (Со) колебательного контура (ампер), iLo - ток в цепи дросселя 1 (Lo) колебательного контура (ампер), uco - напряжение на конденсаторе 4 колебательного контура (вольт), iLu - ток в цепи дросселя 10 (ампер). Позиции st1 и st2 отражают проводящее и непроводящее состояния полупроводниковых приборов. Положительные значения st1 и st2 - показывают включенное состояние тиристора 9 и тиристора или диода 2, 3 соответственно, отрицательные значения st1 и st2 показывают выключенное состояние соответствующих полупроводниковых приборов.
c0
2
1
2
3
3
При пуске преобразователя в момент t=0 (фиг.1, 3) тиристор 2 включается, колебательный контур подключается к источнику питания и на конденсаторе 4 развивается напряжение u. На интервале t=0÷t колебательный контур совершает первое колебание. На первом колебании амплитуда напряжения на конденсаторе 4 (uco) достигается в момент t. После этого на интервале t=t÷t следует пауза до следующего колебания. В момент t начинается второе колебание. При XX цепь нагрузки (5, 6, 7, 8) отсутствует и колебательный контур 1, 4 не нагружен, в паузе между колебаниями цепь
2
3
co
L0
3
3
co
cо
разряда конденсатора отсутствует. В устройстве-прототипе после первого колебания (в интервале паузы t÷t) напряжение на конденсаторе не равно нулю, в то время, как по принципу действия квантовых преобразователей (с целью формирования квантов электроэнергии постоянной величины при каждом колебании) требуется, чтобы к концу паузы напряжение u=0 и ток индуктивности i=0. При выполнении этих условий кванты, следующие один за другим с течением времени, остаются неизменными, что является главным положительным свойством квантовых преобразователей. Когда на выходе преобразователя имеется нагрузка, в паузе конденсатор разряжается до нуля через цепь нагрузки. При малых нагрузках и XX цепи для разряда конденсатора нет. Поэтому к моменту следующего колебания (t) напряжение на конденсаторе не спадает до нуля (см. фиг.1 момент t, когда u≠0). Поэтому на втором колебании амплитуда напряжения u меньше, чем амплитуда напряжения на первом колебании. Таким образом наблюдается затухание колебаний, что после нескольких очередных колебаний приведет к полному затуханию колебаний и работа преобразователя нарушится. Это является существенным недостатком прототипа.
Lu
L0
В связи с колебательным процессом в колебательном контуре амплитудное значение напряжения на конденсаторе превышает практически в два раза напряжение источника питания. В предлагаемом преобразователе в интервале, когда напряжение на конденсаторе превышает напряжение источника питания, может быть включен тиристор 9 для разряда конденсатора на источник питания. Момент включения тиристора 9 (t4, фиг.3) выбирается так, чтобы к моменту паузы (t2) напряжение на конденсаторе упало до нуля, что и происходит в переходном процессе. В момент t5 тиристор 9 выключается, поскольку ток в нем спадает до нуля (см. момент t5 фиг.3, когда ток индуктивности 10 - i спадает до нуля). В момент t2 ток i спадает до нуля и диод 3, проводивший к этому моменту, выключается (от t=0 до t1 проводил тиристор 2, с момента t1 до t2 проводит диод 3, а тиристор 2 в момент t1 выключился).
В момент t3 пауза, длившаяся в течение интервала t2÷t3, заканчивается и включается тиристор 2 для осуществления второго колебания, которое длится от t3 и далее (окончание второго колебания на фиг.3 не показано за ненадобностью). В результате первого колебания в момент t1 напряжение на конденсаторе достигает амплитуды, к интервалу паузы напряжение (в результате действия разрядной цепи 9, 10) на конденсаторе, как и следовало ожидать, упало до нуля. После паузы, в течение второго колебания, напряжение на конденсаторе выросло до амплитудного значения в момент t1).
Это означает, что достигнута цель предложения, заключающаяся:
1. В устранении затухания колебательных процессов в квантовом преобразователе.
2. В сохранении работоспособности квантового преобразователя в режимах малой нагрузки и XX.