Конвертор напряжения
VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к областям электротехники и железнодорожного транспорта, в частности - к преобразованию одного уровня напряжения постоянного тока в другой уровень напряжения постоянного тока с его стабилизацией для питания потребителей собственных нужд электровоза.
Известно изобретение «Ограничитель пускового тока инвертора» по патенту SU 1534682 с датой публикации 07.01.1990, которое предназначено для использования в устройствах защиты инверторов напряжения с внешним возбуждением от перенапряжений на их входе и содержит коммутирующий транзистор с балластным резистором, подключенным параллельно его силовым выводам. Нагрузкой ограничителя является входная силовая цепь инвертора. Коммутирующий транзистор включается по сигналу схемы управления, если уровень напряжения источника электроэнергии находится в заданном двумя пороговыми уровнями диапазоне, и отключается при выходе уровня входного напряжения из заданного диапазона или при превышении разности между напряжением источника электроэнергии и напряжением на входном конденсаторе третьего порогового уровня.
Недостатком технического решения является отсутствие функции преобразования электроэнергии, гальванической развязки и повышенное напряжение на коммутирующем ключе.
Известен трехуровневый повышающий конвертор напряжения из статьи авторов Zhang М. Т., Jiang Y., Lee F. С, Jovanovic М. М. Single-phase three-level boost power factor correction converter. ("Однофазный корректор коэффициента мощности на базе трехуровневого повышающего конвертора"). // 1995 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition - APEC'95. - Dallas, TX, USA: IEEE, 5-9 March 1995. C. 434-439. На фигуре 1 на стр. 434 статьи изображена схема повышающего конвертора напряжения, содержащего дроссель, два диода, два силовых ключа, два конденсатора, включенных так, что емкостной делитель напряжения, образованный конденсаторами, обеспечивает ограничение максимального напряжения на силовом ключе на уровне половины значения выходного напряжения данного конвертора.
Недостатком технического решения является отсутствие возможности обеспечения гальванической развязки.
Известен двухступенчатый преобразователь с первой ступенью, образованной последовательным подключением двух повышающих преобразователей к источнику электроэнергии, и второй ступенью - полумостовым инвертором напряжения, являющимся общей нагрузкой двух повышающих преобразователей из статьи авторов Qian Т., Lehman В. Buck/half-bridge input-series two-stage converter // IET Power Electronics. 2010. T. 3. №6. C. 965.
Недостатками преобразователя являются отсутствие защиты от перенапряжения на входе преобразователя и повышенное напряжение на силовых ключах второй ступени.
Из уровня техники известно последовательное подключение входных цепей конверторов напряжения к источнику электроэнергии и параллельное подключение выходных цепей конверторов напряжения к нагрузке (Fig. 1 Kim J. - W., Yon J. - S., Cho В. H. Modeling, control, and design of input-series-output-parallel-connected converter for high-speed-train power system // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2001. T. 48. №3. C. 536-544.)
Недостатками данного технического решения является необходимость применения такого количества силовых развязывающих трансформаторов, которое равно количеству инверторов напряжения, что приводит к повышению массы, габаритов устройства и снижению надежности.
Известно последовательное соединение силовых ключей с целью снижения уровня максимального напряжения на отдельных ключах и последовательное и параллельное соединение преобразовательных ячеек. Моин, В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи (основы теории и расчета) / В.С. Моин, Н.Н. Лаптев. - М.: Энергия, 1972. - 512 с.
Недостатком данного технического решения является применение большого количества трансформаторов, что также увеличивает массу и габариты устройства и снижает его надежность.
Из уровня техники известен двухступенчатый вспомогательный преобразователь для железной дороги по патенту РФ 2494883 с датой публикации 10.07.2013, первая ступень которого состоит из повышающей ступени с двумя высоковольтными ключами и двумя высоковольтными диодами, вторая ступень содержит DC-DC преобразователь на основе полумостового резонансного преобразователя с использованием высоковольтных транзисторов.
Недостатки решения: использование высоковольтных транзисторов, что приводит к повышению динамических потерь и снижению КПД при высоких частотах преобразования.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является изобретение «Преобразователь напряжения с защитой ключей» по патенту РФ 2549526 с датой публикации 27.11.2014, предназначенное для обеспечения электроэнергией различных нагрузок и работающее от источника постоянного напряжения. Преобразователь содержит повышающий регулятор на основе двух ключей и двух диодов, датчик входного напряжения, датчик входного тока, контактор, входной ключ, к силовым выводам которого подключен резистор, конденсатор и обмотку трансформатора в диагонали DC/DC преобразователя, датчик напряжения на выходе повышающего регулятора.
Недостатками прототипа являются отсутствие возможности повышения частоты преобразования электроэнергии, улучшения качества потребляемой электроэнергии и увеличения КПД устройства.
Техническими задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются повышение надежности, уменьшение массы и габаритных размеров преобразователя, улучшение качества потребляемой электроэнергии и увеличение КПД.
Техническими результатами, на достижение которых направлено заявляемое изобретение, являются снижение напряжения и динамических потерь на полупроводниковых ключах, повышение частоты преобразования электроэнергии.
Технические результаты обеспечиваются за счет выполнения конвертора напряжения, содержащего дроссель и систему управления, к которой подключены контактор и устройство ограничения пускового тока и защиты от перенапряжения на входе конвертора. Конвертор дополнительно содержит две преобразовательные ячейки, включенные последовательно по входу и последовательно с дросселем, преобразовательные ячейки выполнены по двухступенчатой схеме. 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 для подключения к зажимам нагрузки конвертора напряжения. При этом устройство ограничения пускового тока и защиты от перенапряжения содержит четыре коммутирующих полупроводниковых силовых ключа и четыре балластных резистора, включенных параллельно силовым выводам коммутирующих ключей.
На фиг. 1 изображена структурная схема конвертора напряжения.
Конвертор напряжения содержит контактор 1, устройство ограничения пускового тока и защиты от перенапряжения на входе конвертора 2, дроссель 3, две двухступенчатые преобразовательные ячейки 4, трансформатор 5 и выпрямители 6.
Устройство ограничения пускового тока и защиты от перенапряжения 2 содержит четыре коммутирующих полупроводниковых силовых ключа 7 и четыре балластных резистора 8, включенных параллельно силовым выводам коммутирующих ключей 7.
Входные зажимы 9 преобразовательных ячеек 4 включены последовательно в контур, содержащий источник электроэнергии 10, контактор 1, устройство ограничения пускового тока и защиты от перенапряжения 2 и дроссель 3.
Первая ступень преобразовательных ячеек 4 выполнена по схеме трехуровневого повышающего регулятора напряжения, содержащего два силовых ключа 11, два диода 12, два конденсатора 13, включенных так, что емкостный делитель напряжения, образованный конденсаторами 13 каждой преобразовательной ячейки 4, обеспечивает ограничение максимального напряжения на силовых ключах 11 на уровне половины значения выходного напряжения повышающего регулятора напряжения.
Вторая ступень преобразовательных ячеек 4 является полумостовым резонансным преобразователем, где в качестве силовых ключей используется пара последовательно включенных силовых полупроводниковых ключей 14, а в качестве пассивного плеча использованы конденсаторы 13. В диагональ полумостового резонансного преобразователя последовательно включены: резонансные дроссели 15, резонансные конденсаторы 16 и его нагрузка -первичные обмотки 17 одного общего трансформатора 5.
Выходные обмотки 18 трансформатора 5 нагружены на выпрямители 6, выходы которых соединены параллельно для подключения к фильтрующему конденсатору 19 и зажимам нагрузки 20 конвертора напряжения.
Конвертор напряжения работает следующим образом.
Контактор 1 и устройство ограничения пускового тока и защиты от перенапряжения 2 включаются по сигналу системы управления 21, если уровень напряжения источника электроэнергии 10 находится в заданном двумя пороговыми уровнями диапазоне, и отключаются при выходе уровня входного напряжения из заданного диапазона или при превышении разности между напряжением источника электроэнергии и напряжением на конденсаторах 13 третьего порогового уровня.
Система управления 21 подает импульсы управления на силовые ключи 11 повышающего регулятора напряжения синхронно, последовательно и зависимо от напряжения на конденсаторах 13 и на зажимах нагрузки 20, что наряду с показанным на фиг. 1 способом соединения силовых ключей 11, диодов 12 и конденсаторов 13 позволяет регулировать напряжение на конденсаторах 13 и достигнуть заявленные технические результаты, при которых напряжение на силовых ключах 11 не превышает половины выходного напряжения повышающего регулятора.
Управление парами последовательно включенных силовых полупроводниковых ключей 14 система управления 21 выполняет синхронно с управлением ключами 11 повышающего регулятора напряжения. Использование пары последовательно включенных силовых полупроводниковых ключей 14 в качестве силовых ключей полумостового резонансного инвертора позволяет достигнуть снижения напряжения на силовых ключах.
Сформированное полумостовым резонансным инвертором переменное напряжение подается на входные обмотки 17 одного общего трансформатора 5, выходные обмотки 18 которого подключены к выпрямителям 6, выпрямляющим напряжение и подавающим его на конденсатор 19 и зажимы нагрузки 20 конвертора напряжения. Применение одного общего трансформатора 5 с двумя полумостовыми резонансными инверторами напряжения позволяет повысить надежность и снизить массу и габариты конвертора напряжения.
Таким образом, выполнение конвертора напряжения, содержащего систему управления, к которой подключены контактор, устройство ограничения пускового тока и защиты от перенапряжения на входе конвертора и дроссель, а также две преобразовательные ячейки, включенные последовательно по входу и последовательно с дросселем, и параллельно по выходу, при этом преобразовательные ячейки выполнены по двухступенчатой схеме, где первая ступень выполнена по схеме трехуровневого повышающего регулятора напряжения, содержащего два силовых ключа, два диода, два конденсатора, включенных так, что емкостный делитель напряжения, образованный конденсаторами, обеспечивает ограничение максимального напряжения на силовых ключах на уровне половины значения выходного напряжения повышающего конвертора; вторая ступень является полумостовым резонансным преобразователем, где в качестве силовых ключей используется пара последовательно включенных силовых полупроводниковых ключей, нагрузкой полумостовых резонансных преобразователей являются первичные обмотки одного общего трансформатора; выходные обмотки трансформатора нагружены на выпрямители, выходы которых соединены параллельно для подключения к зажимам нагрузки конвертора напряжения, при этом устройство ограничения пускового тока и защиты от перенапряжения содержит четыре коммутирующих полупроводниковых силовых ключа и четыре балластных резистора, включенных параллельно силовым выводам коммутирующих ключей, обеспечивает заявленные технические результаты: снижение напряжения и динамических потерь на полупроводниковых ключах, повышение частоты преобразования электроэнергии.