ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С ЯВНО ВЫРАЖЕННЫМ ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА
CONVERTER OF FREQUENCY WITH EXPLICIT DC LINK

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электроприводу электроподвижного состава переменного тока и предназначено, в частности, для преобразования энергии однофазного переменного тока на входе в энергию трехфазного переменного тока на выходе с промежуточным преобразованием в постоянное напряжение.
Известен преобразователь [1] частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, состоящий из: трехфазного инвертора напряжения, питающегося через сглаживающий конденсатор и LC-фильтр от четырехквадрантного активного выпрямителя, содержащего однофазный полностью управляемый мост, подключенный к однофазной сети через реактор. В качестве силовых ключей упомянутых четырехквадрантного активного выпрямителя и трехфазного инвертора напряжения использованы IGBT-модули с интегрированными обратными диодами [2].
Одним из недостатков данного преобразователя частоты являются коммутационные потери мощности в выпрямительном режиме четырехквадрантного активного выпрямителя, которые не позволяют достигнуть оптимальной частоты коммутации транзисторов. Одной из причин коммутационных потерь является протекание токов восстановления через обратные диоды при приложении к ним обратного напряжения в моменты включения транзистора, а также протекание этих же токов через открывающийся транзистор.
Задача изобретения - уменьшение коммутационных потерь мощности в четырехквадрантном активном выпрямителе и увеличение частоты коммутации транзисторов.
Поставленная задача достигается тем, что известный преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока снабжен в четырехквадрантном активном выпрямителе четырьмя дополнительными диодами, а сетевой реактор разбит на два равных реактора, на магнитопровод каждого установлены по две дополнительные обмотки, которые одним контактом подключены к выходному контакту сетевого реактора, а вторым к контакту одного из дополнительных диодов. Каждый из четырех дополнительных диодов подключен к одной из дополнительных обмоток реактора и к звену постоянного тока, параллельно интегрированному диоду IGBT-модуля. Суммарная мощность обоих реакторов не превышает номинальной мощности в известном преобразователе. Габаритная мощность дополнительных обмоток относительно основных невелика, отношение числа витков дополнительной обмотки и основной не превышает 0,1-0,2.
На Фиг.1 представлена схема предлагаемого преобразователя частоты.
Преобразователь частоты состоит из трехфазного инвертора и четырехквадрантного активного выпрямителя.
Трехфазный инвертор напряжения выполнен на шести IGBT-модулях 21, 22, 23, 24, 25, 26 с интегрированными обратными диодами 27, 28, 29, 30, 31, 32. Транзисторы управляются широтно-импульсными сигналами по синусоидальному закону, который обеспечивает преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное, регулируемое по величине и частоте.
Четырехквадрантный активный выпрямитель включает в себя однофазный мост на четырех IGBT-модулях 7, 8, 9, 10 с интегрированными обратными диодами 10, 11, 12, 13, двух реакторов, содержащих по одной основной обмотки 1, 2 для подключения к сети и по две дополнительные обмотки 3, 4, 5, 6 в каждом; дополнительных диодов 15, 16, 17, 18, подключенных к дополнительным обмоткам реактора и к звену постоянного тока, параллельно к каждому из интегрированных диодов; LC-фильтра 19 и сглаживающего конденсатора 20, подключенных параллельно к входу трехфазного инвертора.
Преобразователь частоты работает следующим образом: в четырехквадрантном активном выпрямителе в течение положительного полупериода входного напряжения работает диагональная пара интегрированных диодов 11 и 14; ток от питающей сети протекает последовательно через обмотки реактора 1 и 2, интегрированный диод 11, трехфазный инвертор и интегрированный диод 14, при этом транзисторы 7 и 10 находятся в закрытом состоянии. Транзисторы 8 и 9 работают в импульсном режиме, и когда они открыты, ток протекает через обмотки реакторов 1 и 2, запасая в последних энергию, когда транзисторы 8 и 9 закрываются, энергия, запасенная реактором 1 и 2, отдается в трехфазный инвертор, при этом величина напряжения в звене постоянного тока оказывается больше входного. Диоды 11 и 14 отсекают трехфазный инвертор и конденсатор фильтра 21 от транзисторов 8 и 9 в моменты их открытого состояния. В момент закрывания транзисторов 8 и 9, накопленная в реакторах энергия, суммируемая с энергией источника питания, отдается в трехфазный инвертор, при этом ток в начальный момент времени протекает через интегрированные диоды 11 и 14, а протеканию тока через дополнительные диоды 15 и 18 препятствуют дополнительные обмотки реакторов 4 и 5. После того как ток через дополнительные обмотки реакторов 4 и 5 достигнет номинального, интегрированные диоды 11 и 14 будут закрыты напряжением дополнительных обмоток 4 и 5 и ток потечет через дополнительные диоды 15 и 18. Таким образом, к моменту отпирания транзисторов 8 и 9 интегрированные диоды 11 и 14 будут закрыты. При открытии транзисторов 8 и 9, напряжение на емкости 20 прикладывается к дополнительным диодам 15 и 18 и интегрированным диодом 11 и 14. Так как основные диоды 11 и 14 были закрыты в момент открытия транзисторов 8 и 9 ток через них не протекает. Через дополнительные обмотки реакторов 4 и 5 и дополнительные диоды 15 и 18 будет протекать ток обратного восстановления, ограниченный индуктивным током дополнительных обмоток реактора 4 и 5.
В течение отрицательного полупериода входного напряжения происходят аналогичные процессы, при этом работает пара основных интегрированных диодов 12 и 13, пара дополнительных обратных диодов 16 и 17 и транзисторы 7 и 10, а диоды 11, 14, 15, 18 и транзисторы 8 и 9 находятся в закрытом состоянии. Таким образом, напряжение на выходе выпрямителя может регулироваться по величине, что позволяет обеспечить питание трехфазного инвертора стабилизированным оптимальным напряжением вне зависимости от изменения входного напряжения.
Положительный эффект от введения дополнительных диодов и обмоток реакторов заключается в том, что при каждой коммутации силового транзисторов, напряжение за время обратного восстановления диодов, прикладывается к дополнительной обмотке, что в свою очередь приводит к снижению токов обратного восстановления диодов протекающих через обратные диоды и транзисторы, и, следовательно, к уменьшению коммутационных потерь. Таким образом, появляется возможность улучшения формы входного и выходного напряжения за счет достижения оптимальной частоты коммутации ключей.
Источники информации
1. Патент РФ №105095 на полезную модель «Устройство для управления асинхронным двигателем». Авторы: Арискин О.Г., Захаржевский О.А., Морев А.И., Рожков К.А., опубл. 27.05.2011 г.
2. Плакс А.В., Раджибаев Д.О., Турсунов Х.М. Электровоз серии «O'zbekiston». Электровозостроение: Сб. научных трудов ОАО «Всерос. н-и и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»). - 2011. - №1(61). - C.114-127).