ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОБСТВЕННЫХ НУЖД
CONVERTER OF OWN NEEDS

Изобретение относится к области электрооборудования, включая силовую преобразовательную технику, и предназначено для питания нагрузок постоянного тока от источников высоковольтного напряжения (например, 1500 В или 3000 В) однофазного тока с использованием функции коррекции входного тока. Предлагаемое устройство можно использовать в качестве преобразователей собственных нужд, например, на железнодорожном подвижном составе, в источниках бесперебойного питания, зарядных станциях и в других устройствах, к которым предъявляют повышенные требования по снижению стоимости и повышению КПД при наличии повышенного коэффициента мощности и гальванической развязке между входным однофазным напряжением и выходным напряжением постоянного тока.
Известен преобразователь собственных нужд, содержащий входные клеммы, входной однофазный мостовой выпрямитель, входной дроссель, блок коммутации, состоящий из силового транзистора и силового диода, причем положительный вывод (сток или коллектор) силового транзистора соединен с анодом силового диода и с выводом входного дросселя, а также выходной конденсатор, соединенный с положительной и отрицательной выходной клеммой (RU 2560103).
К недостаткам известного устройства следует отнести:
- наличие высоковольтного напряжения на разомкнутом силовом транзисторе, равного выходному напряжению Uвых устройства, что обуславливает использование относительно дорогих транзисторов, имеющих относительно высокие коммутационные потери энергии;
- наличие высоковольтного обратного напряжения на силовом диоде, которое равно Uвых, что определяет применение относительно дорогих диодов, имеющих сравнительно высокие коммутационные потери энергии;
-отсутствие гальванической развязки между входным напряжением переменного тока и выходным напряжением постоянного тока устройства, что не обеспечивает требование техники безопасности в случае входного высоковольтного напряжения;
- наличие двух входных дросселей, что обуславливает сравнительно высокую суммарную стоимость намоточных изделий и изделия в целом.
В общем виде данные факторы определяют сравнительно высокие потери мощности и высокую стоимость входной цепи рассматриваемого устройства при отсутствии выполнения требований техники безопасности в случае входного высоковольтного напряжения.
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому устройству является преобразователь собственных нужд, содержащий входные клеммы, входной однофазный выпрямитель, положительный выход которого соединен с входом датчика напряжения, а отрицательный выход соединен с входами датчика входного напряжения и датчика входного тока, входной дроссель, блок коммутации, состоящий из силового транзистора и силового диода, причем положительный вывод (сток или коллектор) силового транзистора соединен с анодом силового диода и с выводом входного дросселя, выходной конденсатор, соединенный с положительной и отрицательной выходными клеммами, и блок управления, к сигнальным входам которому подсоединены сигнальные выходы датчиков входного напряжения и входного тока, а выход соединен с управляющим входом силового транзистора (RU 2448356, прототип).
К недостаткам указанного прототипа следует отнести низкую степень электробезопасности и недостаточный КПД, обусловленные:
- наличием высоковольтного напряжения на разомкнутом силовом транзисторе, которое равно выходному напряжению, что обуславливает использование относительно дорогих мощных транзисторов, имеющих сравнительно высокие коммутационные потери энергии;
- наличием высоковольтного обратного напряжения на силовом диоде, равного входному напряжению, что определяет применение относительно дорогих мощных диодов, имеющих сравнительно высокие коммутационные потери энергии;
- наличием последовательного соединения силового транзистора, что обуславливает дополнительные потери мощности и стоимость;
- отсутствием гальванической развязки между входным напряжением переменного тока и выходным напряжением постоянного тока устройства, что не обеспечивает требование техники безопасности в случае входного высоковольтного напряжения.
Технический проблемой, решаемой созданием заявленного технического решения является создание эффективного экономичного преобразователь собственных нужд и расширение арсенала преобразователей собственных нужд.
Технический результат, обеспечиваемый заявленным изобретением и решаемый указанную проблему, состоит в повышении КПД и степени электробезопасности благодаря снижению потерь мощности и стоимости блоков коммутации устройства в результате схемотехнического решения, которое за счет реализации приближения формы кривой входного тока к форме кривой входного напряжения снижает максимальное напряжение на силовых транзисторах и диодах, что позволяет применять силовые транзисторы и диоды с меньшими номинальными (паспортными) значениями допустимого напряжения и, следовательно, с меньшими потерями мощности блоков коммутации, при обеспечении в заявленном преобразователе гальванической развязки между входным однофазным током и выходным постоянным током.
Сущность изобретения заключается в том, что преобразователь собственных нужд содержит входные клеммы напряжения переменного тока, входной однофазный выпрямитель, входы которого соединены с входными клеммами, положительный выход соединен с одним входом датчика входного напряжения и с входным дросселем, а отрицательный выход соединен с другим входом датчика входного напряжения и входом датчика входного тока, блок коммутации, состоящий из силового диода и силового транзистора, положительный вывод которого соединен с анодом силового диода и с выводом входного дросселя, выходной конденсатор, параллельно соединенный с положительной и отрицательной выходными клеммами напряжения постоянного тока, а также блок управления, к сигнальным входам и которого подсоединены сигнальные выходы датчика входного напряжения и датчика входного тока, а выход соединен с управляющим входом силового транзистора блока коммутации, преобразователь снабжен дополнительными блоками коммутации, состоящими каждый из силового транзистора, положительный вывод которого соединен с анодом силового диода, а также дополнительными аппаратами: группой однофазных инверторов напряжения, группой выходных трансформаторов тока и группой выходных выпрямителей, причем каждая из указанных групп выполнена с числом указанных аппаратов, равным числу последовательно связанных блоков коммутации, коллектор силового транзистора каждого из которых подключен к эмиттеру силового транзистора предшествующего блока коммутации, а эмиттер последнего из дополнительных блоков коммутации - к датчику входного тока, при этом блок управления выполнен с дополнительными выходами, соединенными с управляющими входами силовых транзисторов дополнительных блоков коммутации, а каждый из блоков коммутации, через последовательно соединенные однофазный инвертор напряжения и выходной трансформатор тока связан со входами одного из выходных выпрямителей, выходы которых параллельно подключены к выходным клеммам напряжения постоянного тока.
Предпочтительно, блок управления выполнен в виде платы с микропроцессором и компонентами согласования, с возможностью обработки, по меньшей мере, двух аналоговых сигналов с датчиков напряжения и тока, преобразования аналоговых сигналов в цифровую информацию, обработки цифровой информации по заданному алгоритму посредством установленной программы и формирования импульсно-модуляторных выходных сигналов на выходах для управления силовыми транзисторами блоков коммутации.
Предпочтительно, блок управления выполнен с возможностью попеременного перевода транзисторов блоков коммутации в замкнутое или разомкнутое состояние, и реализации способа управления из группы:
- релейный (гистерезисный), при котором задают максимальную и минимальную границу для входного тока;
- широтно-импульсный, при котором входной ток изменяют с переменной шириной импульса при постоянной частоте;
- частотно-импульсный, при котором входной ток изменяют по ширине импульса или паузы при непостоянной частоте.
На фиг. 1 изображена принципиальная электрическая блок-схема заявляемого преобразователя собственных нужд с коррекцией входного тока, на фиг. 2 - графики изменения входного напряжения и тока.
На чертеже фиг. 1 обозначены:
1 и 2 - входные клеммы;
3 - входной однофазный выпрямитель;
4 - датчик входного напряжения;
5 - датчик входного тока;
6 - входной дроссель;
1
N
7…7 - блоки коммутации;
8 - выходной конденсатор;
9 и 10 - положительная и отрицательная выходные клеммы;
11 - блок управления;
12 и 13 - сигнальные входы блока управления;
1
N
14…14 - выходы блока 11 управления;
1
N
15…15 -однофазные инверторы;
1
N
16…1 6 - выходные трансформаторы;
1
N
17…17- выходные выпрямители
На чертеже фиг. 2 обозначены:
uвх - мгновенное значение входного напряжения;
1
N
uупр - напряжение управления транзистором блока 7…7 коммутации;
iвх - мгновенное значение входного тока, измеренное датчиком 5 входного тока;
imax - верхняя граница мгновенного значения входного тока, измеренного датчиком 5 входного тока;
imin - нижняя граница мгновенного значения входного тока, измеренного датчиком 5 входного тока;
t - текущее значение времени;
11
13
1
N
t и t - моменты времени, при которых размыкают транзистор блока 7…7 коммутации;
12
14
1
N
t и t - моменты времени при замыкании транзистора блока 7…7 коммутации;
Т - период колебаний входного напряжения, измеренного датчиком 4.
1
1
2
N
1
Преобразователь собственных нужд содержит входные клеммы 1 и 2 напряжения переменного тока, входной однофазный выпрямитель 3, входы которого соединены с входными клеммами 1 и 2, положительный выход соединен с одним входом датчика 4 входного напряжения и с входным дросселем 6, а отрицательный выход соединен с другим входом датчика 4 входного напряжения и входом датчика 5 входного тока, входной блок 7i коммутации, состоящий из силового диода и силового (полевого или биполярного или IGBT) транзистора (не обозначены), положительный вывод (сток или коллектор) которого соединен с анодом силового диода и с выводом входного дросселя 6. Выходной конденсатор 8 параллельно соединен с положительной и отрицательной выходными клеммами 9 и 10, соответственно, напряжения постоянного тока. К сигнальным входам 12 и 13 блока 11 управления подсоединены сигнальные выходы датчика 4 входного напряжения и датчика 5 входного тока, а выход 14 соединен с управляющим входом (базой) силового транзистора блока 7 коммутации. Преобразователь снабжен дополнительными входными блоками 7…7 коммутации, состоящими каждый, как и блок 7, из силового транзистора, положительный вывод которого соединен с анодом силового диода, а также дополнительными аппаратами:
1
N
- группой однофазных инверторов 15…15 напряжения;
1
N
- группой выходных трансформаторов 16…16 тока;
1
N
- группой выходных выпрямителей 17…17.
1
N
Каждая из указанных групп выполнена с числом N идентичных указанных аппаратов 15, 16 и 17, равным числу связанных последовательно между собой блоков 7…7 коммутации.
2
N
1
N-1
N
2
N
2
N
2
N
1
N
1
N
1
N
1
N
Коллектор силового транзистора каждого из дополнительных блоков 7…7 коммутации подключен к эмиттеру силового транзистора предшествующего блока 7…7 коммутации, а эмиттер последнего блока 7 из дополнительных блоков 7…7 коммутации - к датчику 5 входного тока. При этом блок 11 управления выполнен с дополнительными выходами 14…14, соединенными с управляющими входами силовых транзисторов дополнительных блоков 7…7 коммутации, а каждый из всех блоков 7…7 коммутации, через последовательно соединенные соответствующий однофазный инвертор 15…15 напряжения и соответствующий выходной трансформатор 16…16 тока связан со входами одного из выходных выпрямителей 17…17, выходы которых параллельно подключены к выходным клеммам 9 и 10 напряжения постоянного тока.
1
N
1
N
1
N
Каждый однофазный инвертор 15…15 напряжения выполнен по полумостовой схеме с входным конденсатором (не изображено). Каждый выходной трансформатор 16…16 имеет одну первичную и одну вторичную обмотку. Выходные выпрямители 17…17 выполнены каждый по мостовой схеме.
1
N
1
N
Блок 11 управления выполнен в виде платы с микропроцессором и компонентами согласования (не изображены), с возможностью обработки, по меньшей мере, двух аналоговых сигналов с датчиков 4 и 5 напряжения и тока, преобразовывать аналоговые сигналы в цифровую информацию, производить обработку цифровой информации по заданному алгоритму посредством установленной программы и формировать требуемые импульсно-модуляторные выходные сигналы на выходах 14…14 для управления соответствующими силовыми транзисторами блоков 7…7 коммутации.
1
N
Блок 11 управления выполнен с возможностью попеременного перевода транзисторов, как полностью управляемых ключей, блоков 7…7 коммутации в замкнутое или разомкнутое состояние и реализации следующих способов управления из группы:
- релейный (гистерезисный) способ, при котором задают максимальную и минимальную границу для входного тока;
- широтно-импульсный способ, при котором входной ток изменяют с переменной шириной импульса при постоянной частоте;
- частотно-импульсный способ, при котором входной ток изменяют по ширине импульса или паузы при непостоянной частоте.
Указанные способы управления имеют универсальный характер и применяются во всех возможных преобразователях, например, в инверторах, конверторах, преобразователях частоты, управляемых выпрямителях и т.п. Остальные типы управления вытекают из этих способов и носят частный вид.
Предлагаемый преобразователь собственных нужд (в дальнейшем именуемый ПСН) работает следующим образом.
1
N
1
N
1
N
Ниже изложено описание работы ПСН при реализации блоком 11 релейного (гистерезисного) способа управления и синфазного алгоритма коммутации силовых транзисторов идентичных блоков 7…7 коммутации, который является основным для рассматриваемого устройства. Включение и выключение транзисторов всех блоков 7…7 коммутации происходит одновременно, согласно фиг. 2, так как все сигналы с выходов 14…14 блока 11 управления автоматически синхронизированы.
При этом коррекция входного тока ПСН достигается посредством приближения формы кривой входного тока к форме кривой входного напряжения, что обеспечивает повышения коэффициента мощности устройства.
1
N
Выбор конкретного числа N блоков 7…7 коммутации, инверторов, выходных трансформаторов и выходных выпрямителей осуществляют в соответствии с техническим заданием следующим образом.
1
N
Определяют из справочного каталога силовые транзисторы для блоков 7…7 коммутации, которые имеют энергию динамических потерь (Ej) ниже максимального значения, указанного в техническом задании. Затем выбирают среди отобранных полупроводниковых приборов такой К-ый силовой транзистор, который имеет минимальную энергию динамических потерь Ек. Для выбранного К-ого силового транзистора из справочного каталога находят допустимое значение напряжения коллектор-эмиттер Uкдоп и определяют требуемое целое число N, как отношение:
где Uвх мах - максимальное входное напряжение, заданное в техническом задании на конкретный разрабатываемый заявляемый преобразователь.
1
N
Предложенное техническое решение основано на том, что в заявляемом преобразователе осуществляется формирование переключения силовых транзисторов, обеспечивающее ограничение перенапряжений при коммутации ими активно - индуктивной нагрузки, что позволяет использовать силовые транзисторы со значением допустимого напряжения коллектор-эмиттер Uкдоп меньшим, чем максимальное входное напряжение Uвх мах. Благодаря этому границы безопасности работы существенно расширяются и можно выбирать силовые транзисторы, которые имеют относительно минимальную энергию динамических потерь Ек, что обеспечивает технический результат, т.е. снижение потерь мощности блоков 7…7 коммутации устройства.
вх
max
min
На интервале времени от 0 до Т/2 (фиг. 2) на входной выпрямитель 3 через входные клеммы 1 и 2 поступает входное положительное напряжение u, текущее значение которого датчик 4 напряжения передает на блок 11 управления. Далее микропроцессор блока 11 управления преобразует его в цифровой вид, на основании которого программные средства синтезируют в цифровом виде кривые максимального i и минимального i граничного значения входного тока.
11
1
N
1
N
11
На интервале времени от 0 до t блок 11 управления формирует на своих выходах 14…14 положительные выходные сигналы управления uупр, поступающие на управляющие входы силовых транзисторов блоков 7…7 коммутации, под действием которых указанные транзисторы переходят в закрытое (запертое) состояние. В результате происходит накопление электромагнитной энергии во входном дросселе 6 за счет роста входного тока. При этом на интервале времени от 0 до t выходной конденсатор 8 осуществляет питание нагрузки ПСН.
вх
max
Одновременно датчик 5 тока передает текущее значение входного тока i на блок 11 управления, который преобразовывает его в цифровой вид и программыми средствами сравнивает с кривой i.
11
1
N
1
N
1
N
1
N
Когда входной ток iвх достигает значения кривой imax (момент времени t, фиг. 2), блок 11 управления снимает положительные выходные сигналы управления uупр, в следствие чего силовые транзисторы всех блоков 7…7 коммутации переходят в разомкнутое состояние, и накопленная на прошлом интервале времени электромагнитная энергия входного дросселя 6 через силовые диоды переходит в однофазные инверторы 15…15 напряжения, а далее через выходные трансформаторы 16…16 и выходные выпрямители 17…17 поступает в выходной конденсатор 8 и в нагрузку ПСН. В результате происходит спад входного тока iвх.
12
1
N
Когда входной ток iвх спадает до значения кривой imin (момент времени t), блок 11 управления вновь формирует положительные выходные сигналы управления uупр, под действием которого силовые транзисторы всех блоков 7…7 коммутации вновь переходят в замкнутое состояние и происходит рост входного тока.
13
1
N
Когда входной ток iвх достигает значения кривой imax (момент времени t), блок 11 управления снимает положительные выходные сигналы управления uупр, в следствие чего силовые транзисторы всех блоков 7…7 коммутации переходят в разомкнутое состояние и происходит спад входного тока iвх, и далее электрические процессы повторяются аналогичным образом.
Таким образом, входной ток iвх принимает форму кривой, близкую к форме кривой uупр входного напряжения, что обеспечивает коррекцию входного тока.
1
N
Анализ электрических процессов в предлагаемом устройстве посредством метода эквивалентных схем с использованием аппарата теории электрических цепей (уравнений Кирхгофа и метода контурных токов) показал, что к разокнутым силовым транзисторам и закрытым силовым диодам блоков 7…7 коммутации прикладывается максимальное напряжение, которое определяет следующее выражение:
вхА
где U - амплитудное значение входного напряжения заявляемого преобразователя в соответствии с техническим заданием;
VTmax
1
N
u - искомое максимальное значение напряжения, прикладываемого к разомкнутому силовому транзистору каждого блока 7…7 коммутации заявляемого преобразователя;
VDmax
1
N
u - искомое максимальное значение обратное напряжение, прикладываемого к диоду каждого блока 7…7 коммутации заявляемого преобразователя.
Аналогичным образом по соотношению (2) определяется максимальное напряжение, которое потребовалось бы прикладывать для работы преобразователя к силовому транзистору и диоду единственного блока коммутации в прототипе:
VTmaxпр
где u - искомое максимальное значение напряжения, прикладываемого к разомкнутому силовому транзистору единственного блока коммутации в прототипе;
VDmaxпр
u - искомое максимальное значение обратное напряжение, прикладываемого к диоду единственного блока коммутации в прототипе.
После деления выражения (3) на выражение (2) получаем:
где N - требуемое число каждого из аппаратов 7, 15, 16 и 17 в заявляемом преобразователе для получения заданных характеристик входного напряжения.
1
N
Из полученного соотношения (4) следует, что в рассматриваемом преобразователе максимальное значение напряжения на разомкнутых силовых транзисторах и на закрытых силовых диодах блока 7…7 коммутации заявляемого преобразователя в N раз меньше, чем в прототипе при одинаковых параметрах на входных клеммах 1, 2 и выходных клеммах 9, 10.
1
N
Благодаря данному фактору в заявляемом преобразовате можно использовать относительно низковольтные силовые транзисторы и диоды блоков 7…7 коммутации, которые имеют малые потери мощности как при протекании силового тока, так и во время коммутации, а также относительно невысокую себестоимость.
1
N
Выходные трансформаторы 16…16 осуществляют гальваническую развязку между входным высоковольтным напряжением однофазного тока и выходным напряжением постоянного тока за счет отсутствие электрической связи между их первичной и вторичной обмоткой.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает, по сравнению с прототипом, технический результат, в частности, увеличение электробезопасности и снижение потерь мощности (повышение КПД), а также сокращение стоимости блоков коммутации преобразователя за счет схемотехнического решения, которое позволяет применять силовые транзисторы и диоды блоков коммутации с меньшими паспортными значениями допустимого максимального напряжения при наличии гальванической развязки между входным высоковольтным напряжением однофазного тока и выходным напряжением постоянного тока. Экспериментальные исследования макетного образца предлагаемого ПСН и компьютерное моделирование подтвердили работоспособность данного устройства и получение указанного технического результата.