Статический преобразователь напряжения
STATIC VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к областям электротехники и железнодорожного транспорта, в частности - к преобразованию постоянного напряжения контактной сети в регулируемый ток обмоток возбуждения тяговых электродвигателей и в стабилизированное напряжение постоянного тока для собственных потребителей транспортных средств.
Из уровня техники известен преобразователь постоянного напряжения из патента РФ 2345473 с датой публикации 27.01.2009. Преобразователь содержит однофазный импульсный инвертор, в диагонали инвертора включены первичные обмотки разделительных трансформаторов, вторичные обмотки трансформаторов подключены к мосту и LC-фильтр. В каждом инверторе напряжения параллельно каждому транзисторному ключу дополнительно подключены амортизирующие цепи.
Недостатками данного преобразователя являются низкая частота преобразования, высокие потери на коммутацию при малых нагрузках.
Из уровня техники известно последовательное соединение силовых транзисторов с целью снижения уровня максимального напряжения на отдельных ключах (стр. 441-444 «Стабилизированные транзисторные преобразователи», B.C. Моин, Н.Н. Лаптев, М., Энергия, 1972).
Известно последовательное соединение IGBT модулей меньшего класса рабочего напряжения для использования на замену IGBT модулей более высокого класса напряжения (стр. 344-348 Andreas Volke, Michael Hornkamp. IGBT Modules. Technologies, Drivers and Application. Publisher: Infineon Technologies AG, Munich, 2012).
Недостатком данного технического решения является сложная схема коррекции времени переключения IGBT модулей, что увеличивает сложность и габариты конечного устройства и снижает его надежность.
Известен статический преобразователь, предназначенный для управления током обмотки возбуждения тяговых двигателей и для формирования промежуточного напряжения 600 В для питания остальных потребителей энергии в режиме резервирования, который включает в себя инвертор, собранный по мостовой схеме на составных IGBT-транзисторах, трансформатор и три выпрямителя, два из которых преобразуют напряжение с выхода инвертора в напряжение с управляемым значением тока для питания обмоток возбуждения и один неуправляемый выпрямитель - в напряжение 600 В (стр. 187-188 «Электровоз 2ЭС6 «Синара». под. ред. В.В. Брексона, В. Пышма, ООО «Уральские локомотивы», 2015).
Недостатками статического преобразователя являются применение неуправляемого выпрямителя для формирования выходного напряжения, что ухудшает параметры выходного напряжения 600 В, а также отсутствует возможность выравнивания напряжения между соединенными последовательно IGBT модулями.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является преобразователь напряжения, известный из патента РФ 2145145 с датой публикации 27.01.2000. Преобразователь содержит ключи, включенные по мостовой схеме, силовой трансформатор, первичная обмотка которого включена в диагональ моста, дроссель насыщения, силовой выпрямитель, LC-фильтр. Выход LC-фильтра соединен с нагрузкой. Каждый силовой ключ содержит силовой транзистор, зашунтированный обратным диодом и конденсатором.
Недостатками прототипа являются отсутствие возможности реализации n числа независимых регулируемых выходных каналов преобразователя и ограничение по максимальному входному напряжению преобразователя из-за ограниченного максимального рабочего напряжения одиночных силовых ключей.
Техническими задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются уменьшение массы и габаритных размеров преобразователя и расширение функциональных возможностей.
Техническими результатами являются:
- увеличение максимального возможного рабочего напряжения на входе преобразователя;
- повышение рабочей частоты преобразователя;
- расширение диапазона изменения нагрузки на выходе преобразователя при работе без динамических потерь на включение силовых ключей;
- возможность реализации n числа независимых регулируемых выходных каналов при работе от одного инвертора напряжения.
Технические результаты заявленного изобретения достигаются за счет реализации статического преобразователя, содержащего инвертор напряжения, состоящий из силовых ключей, включенных по мостовой схеме, силовой высоковольтный трансформатор, первичная обмотка которого включена в диагональ моста, а вторичная обмотка подключена к силовому выпрямителю и LC-фильтр, подключенный к выходу силового выпрямителя. Каждый силовой ключ инвертора состоит из n числа последовательно соединенных IGBT-модулей. К каждому IGBT-модулю подключена снабберная RCD-цепь или конденсатор. Силовой высоковольтный трансформатор имеет, по меньшей мере, три выходные обмотки, каждая из которых подключена к силовому выпрямителю, который выполнен управляемым и состоит из тиристоров. Инвертор напряжения содержит дроссель холостого хода, включенный в диагональ моста параллельно первичной обмотке силового высоковольтного трансформатора. Управление инвертором напряжения и силовыми выпрямителями осуществляется цифровым контроллером управления.
Цифровой контроллер управления может быть выполнен с возможностью формирования сигналов управления инвертором напряжения и управляемыми выпрямителями, а также может быть выполнен с возможностью получения информации о выходных токах и выходном напряжении управляемых выпрямителей. В цифровом контроллере управления введена задержка на включение тиристора соответствующей полярности в управляемых выпрямителях после выключения IGBT-модулей.
Статический преобразователь напряжения предназначен для работы от высоковольтного напряжения постоянного тока, в частности, от напряжения контактной сети диапазона 2200-4000 В, с использованием внешней схемы предварительного заряда входных конденсаторов. Преобразователь формирует на своем выходе ток заданной величины по двум независимым каналам для индуктивной нагрузки, в частности для обмоток возбуждения тяговых электродвигателей электровоза, и стабилизированное напряжение, гальванически развязанное от входа преобразователя, для питания различных потребителей, в том числе потребителей собственных нужд электровоза.
На фигуре 1 представлена принципиальная схема статического преобразователя напряжения:
1 - инвертор напряжения
2 - силовой ключ
3 - IGBT-модуль
4 - снабберная RCD-цепь
5 - конденсатор
6 - силовой высоковольтный трансформатор
7 - управляемый выпрямитель канала формирования тока
8 - управляемый выпрямитель канала формирования напряжения
9 - LC-фильтр
10 - цифровой контроллер управления
11 - дроссель холостого хода.
Статический преобразователь напряжения содержит инвертор напряжения 1, выполненный по мостовой схеме из силовых ключей 2, каждый силовой ключ 2 состоит из n числа соединенных последовательно IGBT модулей 3, причем параллельно каждому IGBT-модулю 3 подключена снабберная RCD-цепь 4 или конденсатор 5, в диагональ моста включена первичная обмотка силового высоковольтного трансформатора 6, к двум вторичным обмоткам трансформатора 6 подключены управляемые тиристорные выпрямители канала формирования тока 7, а к третьей вторичной обмотке трансформатора 6 подключен управляемый тиристорный выпрямитель источника напряжения 8, к выходу выпрямителя 8 подключен LC-фильтр 9. Статический преобразователь напряжения содержит цифровой контроллер управления 10, который формирует сигналы управления инвертором напряжения 1 и управляемыми выпрямителями 7 и 8 и получает от них информацию о выходных токах и выходном напряжении. Параллельно первичной обмотке силового высоковольтного трансформатора 6 подключен дроссель холостого хода 11.
Статический преобразователь работает следующим образом.
Входное напряжение, подаваемое на статический преобразователь, поступает на вход инвертора напряжения 1, который обеспечивает преобразование постоянного входного напряжения в переменное напряжение прямоугольной формы, поступающее на первичную обмотку силового высоковольтного трансформатора 6 с двух выходов которого (вторичных обмоток) переменное напряжение поступает на управляемые выпрямители 7, которые обеспечивают его преобразование в постоянный ток заданной величины, а с третьего выхода силового высоковольтного трансформатора 6 переменное напряжение поступает на управляемый выпрямитель 8, собранный по мостовой схеме, на выходе которого формируется напряжение постоянного тока, которое сглаживается LC-фильтром 9.
Цифровой контроллер управления 10 поочередно выдает сигналы включения на два диагонально расположенных силовых ключа 2 инвертора напряжения 1, при этом длительность сигналов включения фиксированная и составляет половину рабочего периода, за вычетом паузы между сигналами включения (защитного интервала), когда все силовые ключи 2 инвертора напряжения 1 закрыты. Контроллер 10 получает информацию о величине выходных токов на выходе управляемых выпрямителей 7, 8 и о величине напряжения на выходе LC-фильтра 9, на основании которой осуществляет регулирование, то есть выдачу сигналов включения тиристоров в управляемых выпрямителях 7, 8.
В статическом преобразователе цифровой контроллер управления 10 выполнен с возможностью формирования сигналов управления инвертором напряжения 1 и управляемыми выпрямителями 7, 8, при этом скважность переменного напряжения, подаваемого с инвертора 1 зафиксирована, а регулирование каждым из выходных каналов осуществляется независимо, что дает возможность реализации n числа независимых выходных каналов при работе от одного инвертора напряжения путем добавления к дополнительным вторичным обмоткам силового трансформатора управляемых выпрямителей. Так же цифровой контроллер управления 10 выполнен с возможностью получения информации о выходных токах и выходном напряжении управляемых выпрямителей 7, 8, что позволяет сделать эти независимые выходные каналы регулируемыми. В зависимости от потребности, дополнительные управляемые выпрямители могут быть выполнены, в виде канала формирования тока или, совместно с LC-фильтром, в виде канала формирования напряжения.
Применение в статическом преобразователе цифрового контроллера управления 10 для управления тиристорными выпрямителями позволяет реализовать дополнительные функциональные возможности такие как, например, ограничение на выходе управляемого выпрямителя выходного тока, выходного напряжения, выходной мощности или включение/выключение управляемого выпрямителя.
Для увеличения максимального допустимого рабочего напряжения статического преобразователя каждый силовой ключ 2 инвертора напряжения 1 выполнен из соединенных последовательно IGBT-модулей 3, количество которых определяется этим рабочим напряжением.
Для выравнивания напряжения между соединенными последовательно IGBT-модулями 3 в период коммутации, параллельно каждому IGBT-модулю 3 подключен снаббер 4 или конденсатор 5.
При выключении силовых ключей 2 одной из диагонали моста, ток, протекающий через первичную обмотку трансформатора 6, за время паузы перезаряжает конденсатор снаббера 4 или конденсатор 5, подключенные параллельно IGBT-модулям и, затем, замыкается через встроенные в IGBT-модули 3 оппозитные диоды другой диагонали моста, перед ее включением, обратно через вход инвертора напряжения 1, тем самым реализуя включение IGBT-модулей 3 при нулевом напряжении (режим ZVS). Для перезаряда конденсатора в снабберах 4 или конденсатора 5 перед включением IGBT-модулей (режим ZVS) в цифровом контроллере управления 10 введена задержка на включение тиристора соответствующей полярности в управляемых выпрямителях 7, 8 после выключения IGBT-модулей 3 в силовых ключах (после изменения полярности напряжения на трансформаторе 5). При этом перезаряд конденсатора в снабберах 4 или конденсатора 5 происходит за счет энергии, накопленной в индуктивности на выходе управляемых выпрямителей 7, 8. Для реализации режима ZVS в инверторе напряжения 1 при отсутствии тока нагрузки на выходе управляемых выпрямителей 7, 8 (режим холостого хода) в диагональ моста, параллельно первичной обмотке трансформатора 6, вводится дроссель холостого хода 11. Применение в статическом преобразователе дросселя холостого хода 11 позволяет расширить диапазон изменения нагрузки на выходе статического преобразователя при работе без динамических потерь на включение силовых ключей, то есть обеспечить режиме ZVS в случае малого выходного тока и режима холостого хода.
Применение в инверторе напряжения 1, рассчитанном на работу при высоком входном напряжении, в качестве силового ключа соединенных последовательно IGBT-модулей и реализация режима ZVS позволяет повысить рабочую частоту статического преобразователя, тем самым уменьшить массу и габариты силового трансформатора и фильтрующих элементов на входе и выходе преобразователя.
Таким образом, осуществление изобретения с совокупностью заявленных признаков в формуле позволяет решить технические проблемы и обеспечить указанные в описании изобретения технические результаты.