Реверсивный трехфазный мостовой транзисторный преобразователь

Реверсивный трехфазный мостовой транзисторный преобразователь относится к реверсивным полупроводниковым транзисторным выпрямительным устройствам и предназначен для выпрямления, регулирования и реверсирования тока в нагрузке при питании от трехфазной сети переменного напряжения. Три реверсивных ключевых полупроводниковых блока связаны между собой общими точками, подсоединенными к началу и концу нагрузки, и снабжены двумя электронными ключами в каждом блоке. В качестве электронных ключей использованы полупроводниковые транзисторы симметричной структуры. Эмиттеры полупроводниковых транзисторов каждого блока соединены, и общие точки этого соединения подключены к соответствующим фазам питающей сети трехфазного переменного напряжения. Одна общая точка объединения коллекторов полупроводниковых транзисторов каждого блока подсоединена к началу нагрузки, а другая общая точка объединения коллекторов полупроводниковых транзисторов каждого блока подсоединена к концу нагрузки. Обеспечивается исключение возможности технологического короткого замыкания, упрощается как силовая схема, так и система управления реверсивным трехфазным мостовым транзисторным преобразователем, повышается надежность, уменьшаются габариты и стоимость устройства путем осуществления реверса, пуска и работы нагрузки постоянного тока от одной мостовой схемы.

Предлагаемое изобретение относится к реверсивным полупроводниковым транзисторным выпрямительным устройствам и может быть использовано для выпрямления, регулирования и реверсирования тока в нагрузке при питании от трехфазной сети переменного напряжения.

Известен трехфазный мостовой диодный преобразователь, предназначенный для выпрямления постоянного тока, содержащий катодную и анодную группы шести диодов диодного моста, являющихся электронными ключами. Общая точка, объединяющая три катода трех диодов катодной группы диодов, соединена с началом нагрузки. Общая точка, объединяющая три анода трех диодов анодной группы диодов, соединена с концом нагрузки. Каждая пара выводов анода и катода, соединяющая между собой диоды катодной и анодной групп диодного моста, соединена с соответствующей фазой питающей сети трехфазного переменного напряжения (Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники / Г.С.Зиновьев. - НГТУ, 2001. - С.102, рис.2.8.1 (а)).

Недостатками данного устройства являются отсутствие возможности регулирования величины выпрямленного постоянного тока и реверса тока в нагрузке, для осуществления которого необходима дополнительная мостовая схема, включенная параллельно диодному мосту и нагрузке и работающая в обратном направлении на нагрузку.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является реверсивный трехфазный тиристорный преобразователь, основанный на двухкомплектной реверсивной трехфазной мостовой схеме, у которого каждый мостовой комплект содержит три реверсивных ключевых полупроводниковых блока, связанные между собой общими точками, подсоединенными через уравнительные реакторы к началу и концу нагрузки. Каждый из трех блоков мостового комплекта снабжен двумя электронными ключами, в качестве которых использованы полупроводниковые управляемые тиристоры. В каждом из трех блоков мостового комплекта общая точка соединения анода первого тиристора и катода второго тиристора связана с одной фазой питающей сети трехфазного переменного напряжения, катод первого тиристора соединен с началом нагрузки, а анод второго тиристора соединен с концом нагрузки. Одна общая точка группы выводов тиристоров обоих мостовых комплектов, объединяющая катоды первых тиристоров каждого из трех блоков каждого мостового комплекта, является плюсом реверсивного трехфазного тиристорного преобразователя, и соединена с началом нагрузки. Другая общая точка группы выводов тиристоров обоих мостовых комплектов, объединяющая аноды вторых тиристоров каждого из трех блоков каждого мостового комплекта, является минусом реверсивного трехфазного тиристорного преобразователя и соединена с концом нагрузки. При согласованном управлении двухкомплектной реверсивной трехфазной мостовой схемой должны использоваться уравнительные реакторы. (Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами / Под редакцией В.И.Круповича, Ю.Г.Барыбина. - М.: Энергоиздат, 1982. - С.126, рис.1-153(д)).

Описанный реверсивный трехфазный тиристорный преобразователь имеет следующие недостатки:

- отсутствие возможности осуществления реверса, пуска и работы нагрузки постоянного тока от одной мостовой схемы;

- наличие возможности технологического короткого замыкание между мостами при нечетком управлении мостами разной полярности, а именно, при несвоевременном отключении одного моста и включении другого;

- необходимость при согласованном управлении соблюдать соотношение

=180°-,

где и - углы открытия тиристоров в соответствующих группах в двухкомплектной реверсивной трехфазной мостовой схеме;

- сложность силовой схемы и системы управления двумя мостовыми комплектами из трех блоков с электронными ключами каждый;

- повышенные габариты устройства, снабженного уравнительными реакторами между мостовыми комплектами;

- низкие показатели надежности и экономичности из-за использования большого количества элементов.

Предлагаемым изобретением решается проблема осуществления реверса, задача исключения технологического короткого замыкания, упрощения, как силовой схемы, так и системы управления реверсивным трехфазным мостовым транзисторным преобразователем, повышения надежности, уменьшения габаритов и стоимости устройства путем осуществления реверса, пуска и работы нагрузки постоянного тока от одной мостовой схемы.

Решение этой задачи достигается тем, что в реверсивном трехфазном мостовом транзисторном преобразователе, содержащем три реверсивных ключевых полупроводниковых блока, связанные между собой общими точками, подсоединенными к началу и концу нагрузки, и снабженные двумя электронными ключами в каждом блоке, причем общая точка соединения двух ключей в каждом блоке подсоединена к соответствующей фазе питающей сети трехфазного переменного напряжения, согласно изобретению в качестве электронных ключей использованы полупроводниковые транзисторы симметричной структуры. Эмиттеры полупроводниковых транзисторов каждого блока соединены и подключены к соответствующей фазе питающей сети трехфазного переменного напряжения. Одна общая точка объединения коллекторов полупроводниковых транзисторов каждого блока подсоединена к началу нагрузки, а другая общая точка объединения коллекторов полупроводниковых транзисторов каждого блока подсоединена к концу нагрузки.

Осуществление реверса выпрямленного напряжения и реверса тока в нагрузке достигается путем использования возможности транзистора вследствие его симметричной структуры (p-n-p, n-p-n) пропускать ток в прямом и обратном направлении в ключевом режиме, а так же последовательностью управления транзисторами.

Исключение возможности технологического короткого замыкания, упрощение силовой схемы и системы управления, повышение надежности, уменьшение габаритов и стоимости устройства обеспечиваются использованием одного реверсивного моста.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема реверсивного трехфазного мостового транзисторного преобразователя, обеспечивающего протекание постоянного тока в направлении «вперед»; на фиг.2. - принципиальная электрическая схема реверсивного трехфазного мостового транзисторного преобразователя, обеспечивающего протекание постоянного тока в направлении «назад»; на фиг.3. - временная диаграмма работы пар транзисторов в реверсивном трехфазном мостовом транзисторном преобразователе при направлении «вперед» и открытии пар транзисторов в течение всего рабочего цикла, состоящего из шести рабочих интервалов выпрямленного напряжения; на фиг.4. - временная диаграмма работы пар транзисторов в реверсивном мостовом транзисторном преобразователе при направлении «вперед» и частичном открытии пар транзисторов в течение каждого рабочего цикла, состоящего из шести рабочих интервалов выпрямленного напряжения; на фиг.5. - временная диаграмма работы пар транзисторов в реверсивном мостовом транзисторном преобразователе при направлении «назад» и открытии пар транзисторов в течение всего рабочего цикла, состоящего из шести рабочих интервалов выпрямленного напряжения; на фиг.6. - временная диаграмма работы пар транзисторов в реверсивном мостовом транзисторном преобразователе при направлении «назад» и частичном открытии пар транзисторов в течение каждого рабочего цикла, состоящего из шести рабочих интервалов выпрямленного напряжения.

Кроме того на чертеже используются следующие обозначения:

- Uc - источник трехфазного переменного напряжения;

- Ud - напряжение на нагрузке;

- А - напряжение на фазе А питающей сети трехфазного переменного напряжения;

- В - напряжение на фазе В питающей сети трехфазного переменного напряжения;

- С - напряжение на фазе С питающей сети трехфазного переменного напряжения;

- t - текущее время;

- I_d - ток, протекающий через нагрузку;

- I, II, III, IV, V, VI - временные интервалы;

- VT1-VT6 - транзисторы;

- С1-С2 - начало и конец нагрузки соответственно;

- сплошные стрелки - направления протекания тока в цепи при положительном направлении напряжения;

- пунктирные стрелки - направления протекания тока в цепи при реверсном направлении напряжения;

~ - переменное напряжение.

Реверсивный трехфазный мостовой транзисторный преобразователь содержит три реверсивных ключевых полупроводниковых блока(блок 1, блок 2, блок 3): блок 1, снабженный двумя электронными ключами, в качестве которых использованы полупроводниковые транзисторы 4 (VT1) и 5 (VT2) симметричной структуры; блок 2, снабженный двумя электронными ключами, в качестве которых использованы полупроводниковые транзисторы 6 (VT3) и 7 (VT4) симметричной структуры; блок 3, снабженный двумя электронными ключами, в качестве которых использованы полупроводниковые транзисторы 8 (VT5) и 9 (VT6) симметричной структуры.

В блоке 1 эмиттер транзистора 4 (VT1) соединен с эмиттером транзистора 5 (VT2), и общая точка их соединения подключена к фазе А питающей сети трехфазного переменного напряжения. В блоке 2 эмиттер транзистора 6 (VT3) соединен с эмиттером транзистора 7 (VT4), и общая точка их соединения подключена к фазе В питающей сети трехфазного переменного напряжения. В блоке 3 эмиттер транзистора 8 (VT5) соединен с эмиттером транзистора 9 (VT6), и общая точка их соединения подключена к фазе С питающей сети трехфазного переменного напряжения.

Коллектор транзистора 4 (VT1) блока 1, коллектор транзистора 6 (VT3) блока 2, коллектор транзистора 8 (VT5) блока 3 объединены общей точкой, соединенной с началом 10 (С1) нагрузки. Коллектор транзистора 5 (VT2) блока 1, коллектор транзистора 7 (VT4) блока 2, коллектор транзистора 9 (VT6) блока 3 объединены общей точкой, соединенной с концом 11 (С2) нагрузки.

Таким образом, первый, второй и третий реверсивных ключевых полупроводниковых блоков связаны между собой общими точками, подсоединенными к началу 10 (С1) и концу 11 (С2) нагрузки (фиг.1, 2).

Реверсивный трехфазный мостовой транзисторный преобразователь работает следующим образом.

С помощью реверсивного трехфазного мостового транзисторного преобразователя возможно регулирование напряжения за счет частичного открывания транзисторов, а так же осуществление реверса выпрямленного напряжения на нагрузке путем использования возможности транзистора работать в ключевом режиме, вследствие его симметричной структуры (p-n-p, n-p-n), и при этом пропускать ток как в прямом, так и в обратном направлении.

Для осуществления пропускания выпрямленного тока по нагрузке в прямом направлении «вперед» необходимо подавать управляющие импульсы на транзисторы в соответствии с временной диаграммой, показанной на фиг.3.

Весь цикл работы реверсивного трехфазного мостового транзисторного преобразователя делится на шесть временных интервалов.

Во время первого интервала работают транзисторы 4 (VT1) и 7 (VT4). Включены и работают фазы А и В.

Во время второго интервала работают транзисторы 4 (VT1) и 9 (VT6), транзистор 7 (VT4) отключается. Включены и работают фазы А и С.

Во время третьего интервала работают транзисторы 6 (VT3) и 9 (VT6), транзистор 4 (VT1) отключается. Включены и работают фазы В и С.

Во время четвертого интервала работают транзисторы 6 (VT3) и 5 (VT2), транзистор 9 (VT6) отключается. Включены и работают фазы В и А.

Во время пятого интервала работают транзисторы 8 (VT5) и 5 (VT2), транзистор 6 (VT3) отключается. Включены и работают фазы С и А.

Во время шестого интервала работают транзисторы 8 (VT5) и 7 (VT4), транзистор 5 (VT2) отключается. Включены и работают фазы С и В.

После завершения шестого временного интервала весь цикл работы повторяется.

С помощью реверсивного трехфазного мостового транзисторного преобразователя возможно регулирование напряжения за счет частичного открывания транзисторов при положительном направлении напряжения (фиг.4), работа пар транзисторов и направление тока при этом не меняются, меняются только временные промежутки их работы.

Предложенное устройство позволяет производить реверс питающего напряжения на нагрузке в направлении «назад» (фиг.5).

Весь цикл работы реверсивного трехфазного мостового транзисторного преобразователя делится на шесть временных интервалов.

Во время первого интервала работают транзисторы 5 (VT2) и 6 (VT3). Включены и работают фазы А и В.

Во время второго интервала работают транзисторы 5 (VT2) и 8 (VT5), транзистор 6 (VT3) отключается. Включены и работают фазы А и С.

Во время третьего интервала работают транзисторы 7 (VT4) и 8 (VT5), транзистор 5 (VT2) отключается. Включены и работают фазы В и С.

Во время четвертого интервала работают транзисторы 7 (VT4) и 4 (VT1), транзистор 8 (VT5) отключается. Включены и работают фазы В и А.

Во время пятого интервала работают транзисторы 9 (VT6) и 4 (VT1), транзистор 7 (VT4) отключается. Включены и работают фазы С и А.

Во время шестого интервала работают транзисторы 9 (VT6) и 6 (VT3), транзистор 4 (VT1) отключается Включены и работают фазы С и В

После завершения шестого временного интервала весь цикл работы повторяется.

С помощью реверсивного трехфазного мостового транзисторного преобразователя возможно регулирование напряжения за счет частичного открывания транзисторов при реверсивном направлении напряжения (фиг.6), работа пар транзисторов и направление тока при этом не меняются, меняются только временные промежутки их работы.

Таким образом, на основании вышеизложенного видно, что предлагаемое изобретение имеет преимущество по сравнению с известным реверсивным трехфазным тиристорным преобразователем, так как исключается возможность технологического короткого замыкания, нет необходимости соблюдать согласование углов открытия транзисторов в устройстве, повышается надежность всего устройства, так как уменьшается общее количество полупроводниковых коммутационных блоков и отсутствуют уравнительные реакторы.

Реверсивный трехфазный мостовой транзисторный преобразователь, содержащий три реверсивных ключевых полупроводниковых блока, связанные между собой общими точками, подсоединенными к началу и концу нагрузки, и снабженные двумя электронными ключами в каждом блоке, причем общая точка соединения двух ключей в каждом блоке подсоединена к соответствующей фазе питающей сети трехфазного переменного напряжения, отличающийся тем, что в качестве электронных ключей использованы полупроводниковые транзисторы симметричной структуры, эмиттеры полупроводниковых транзисторов каждого блока соединены и подключены к соответствующей фазе питающей сети трехфазного переменного напряжения, одна общая точка объединения коллекторов полупроводниковых транзисторов каждого блока подсоединена к началу нагрузки, а другая общая точка объединения коллекторов полупроводниковых транзисторов каждого блока подсоединена к концу нагрузки.