Статический преобразователь напряжения
STATIC VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к области электротехники и железнодорожного транспорта и используется для обеспечения электропитанием потребителей собственных нужд железнодорожных транспортных средств.
Из уровня техники известно 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.
Недостатками данного технического решения являются отсутствие возможности передачи электроэнергии с выхода на вход преобразователя и отсутствие возможности комбинирования преобразовательных ячеек.
Наиболее близким к заявленному изобретению является 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, содержащая первичный 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 первичных преобразователей, выходные контакты которых подключены к соответствующей одной из множества первичных обмоток трансформатора. При этом каждая из, по меньшей мере трех, секций первичного преобразователя образованы одним входным четырехквадрантным преобразователем, по меньшей мере, одним конденсатором промежуточной цепи и одним полумостом, причем каждой первичной обмотке трансформатора отведен один резонансный конденсатор, образующий колебательный контур с индуктивностью рассеяния первичной обмотки общего трансформатора.
Резонансная частота колебательного контура выше или равна частоте коммутации, по крайней мере, трех секций 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.
Недостатками прототипа являются обязательное наличие минимум трех преобразовательных ячеек для осуществления работы, а также повышенная пульсация тока во входном дросселе при параллельном соединении ячеек.
Техническими задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, является создание универсального преобразователя напряжения с возможностью комбинирования входных преобразовательных ячеек, что позволяет приобрести новые функциональные возможности, например, расширить диапазон допустимого входного напряжения или увеличить выходную мощность преобразователя и др.
Техническими результатами, на достижение которых направлено заявляемое изобретение, являются расширение диапазона допустимого входного напряжения и увеличение выходной мощности преобразователя для питания большего количества потребителей при одновременной возможности работы в режиме обратного преобразования. Также техническим результатом является уменьшение пульсации входного тока преобразователя при параллельном соединении преобразовательных ячеек.
Технические результаты обеспечиваются за счет создания статического преобразователя напряжения, содержащего на входе дроссель с подключенными к нему, по меньшей мере, двумя соединенными параллельно или последовательно преобразовательными ячейками, подключенными через трансформатор к мостовому инвертору напряжения. Преобразовательная ячейка состоит из трехуровневого повышающего преобразователя напряжения и подключенного к нему полумостового инвертора напряжения, выполненных из полупроводниковых ключей и силовых конденсаторов. Причем каждый полумостовой инвертор напряжения подключен к своей первичной обмотке силового высоковольтного трансформатора, к выходу которого также подключен мостовой инвертор напряжения, выполненный из полупроводниковых ключей. При параллельном соединении преобразовательных ячеек к каждой ячейке на вход подключен дроссель. При параллельном или последовательном соединении двух преобразовательных ячеек, на каждую пару приходится один трансформатор и один мостовой инвертор напряжения. При использовании, по меньшей мере, двух мостовых инверторов напряжения, они соединены на выходе параллельно или последовательно. При этом управление преобразовательными ячейками и мостовым инвертором напряжения осуществляется цифровым контроллером управления. В качестве полупроводниковых ключей могут использоваться IGBT-модули или SiC-транзисторы.
При параллельном подключении преобразовательных ячеек входные дроссели могут быть магнитосвязаны.
Статический преобразователь напряжения выполнен с режимом обратного преобразования.
Цифровой контроллер управления выдает и получает сигналы от трехуровневого повышающего преобразователя напряжения, инвертора напряжения и мостового инвертора напряжения. Каждый мостовой инвертор напряжения содержит на выходе силовой конденсатор, являющийся выходным конденсатором статического преобразователя напряжения.
На фиг. 1, 2 изображены структурные схемы статического преобразователя.
Статический преобразователь напряжения содержит дроссель 1, к выходу которого подключены, по меньшей мере, две соединенные параллельно или последовательно преобразовательные ячейки 2. Последовательное соединение преобразовательных ячеек 2 позволяет увеличить значение подаваемого входного напряжения, а их параллельное соединение позволяет кратно увеличить мощность статического преобразователя. Преобразовательная ячейка 2 состоит из трехуровневого повышающего преобразователя напряжения 3 и подключенного к нему полумостового инвертора напряжения 4, выполненных из полупроводниковых ключей 5, 6 и силовых конденсаторов 7. Каждый полумостовой инвертор напряжения 4 подключен к своей первичной обмотке силового высоковольтного трансформатора 8, к выходу которого также подключен мостовой инвертор напряжения 9, выполненный из полупроводниковых ключей 10 и конденсатора 11. При параллельном соединении преобразовательных ячеек 2 на входе каждой ячейки размещен дроссель 1.
При последовательном или параллельном соединении двух преобразовательных ячеек 2, на каждую пару приходится один мостовой инвертор напряжения 9. При использовании, по меньшей мере, двух мостовых инверторов напряжения 9, они соединены между собой на выходе параллельно или последовательно. При этом управление преобразовательными ячейками 2 и мостовым инвертором напряжения 9 осуществляется цифровым контроллером управления 12.
Статический преобразователь работает следующим образом.
Статический преобразователь напряжения работает в двух режимах: в режиме передачи электроэнергии в прямом направлении из первичной сети в промежуточный контур (режим прямого преобразования) и в режиме передачи электроэнергии в обратном направлении из промежуточного контура в первичную сеть (режим обратного преобразования).
В режиме прямого преобразования на вход преобразователя поступает высоковольтное напряжение постоянного тока.
Дроссель 1 производит фильтрацию высокочастотной составляющей входного напряжения и является накопителем энергии для работы повышающего 3 в составе каждой преобразовательной ячейки 2. При параллельном соединении преобразовательных ячеек 2 на входе каждой ячейки размещен дроссель 1, что позволяет расширить диапазон допустимого входного напряжения и увеличить выходную мощность преобразователя. В каждой включенной последовательно или параллельно преобразовательной ячейке 2 трехуровневый повышающий преобразователь 3 формирует высоковольтное напряжения для подключенного к нему полумостового инвертора напряжения 4. Выходные конденсаторы 7 каждого из повышающих преобразователей 3 являются одновременно конденсаторами звена постоянного тока, подключенных к ним инверторов напряжения 4. Цифровой контроллер управления 12 выдает синхронно сигналы управления на полупроводниковые ключи 5, повышающих преобразователей 3 и на инверторы напряжения 4, а на полупроводниковые ключи 6 повышающих преобразователей 3 и на полупроводниковые ключи 10 мостового инвертора 9 сигналы управления не выдаются.
Сигналы управления на полупроводниковые ключи 5 (IGBT-модули, SiC-транзисторы) повышающего преобразователя 3 каждой преобразовательной ячейки 2 выдаются со смещением относительно друг друга, что позволяет снизить амплитуду пульсации входного тока статического преобразователя.
Инвертор напряжения 4 через силовой высоковольтный трансформатор 8 передает напряжение на вход мостового инвертора напряжения 9, который преобразует переменное напряжение в постоянное для питания потребителей собственных нужд.
При этом в мостовом инверторе 9 ток протекает через оппозитные (антипараллельные) диоды полупроводниковых ключей 10.
При передаче энергии в обратном направлении, из промежуточного контура в контактную сеть цифровой контроллер управления 12 выдает сигналы на полупроводниковые ключи 10 мостового инвертора напряжения 9 и шунтирует оппозитные диоды полупроводниковых ключей 6 входного повышающего преобразователя 3, сигналы управления на полупроводниковые ключи 5 (IGBT-модули, SiC-транзисторы) при этом не выдаются.
Таким образом, реализуется возможность работы в режимах прямого и обратного преобразования.