Преобразователь постоянного напряжения
Полезная модель относится к электротехнике и предназначена для питания электрических машин переменного тока. Преобразователь постоянного напряжения содержит входной фильтр, импульсные регуляторы напряжения, однофазные полумостовые инверторы, разделительные трансформаторы, мостовые выпрямители, LC-фильтр и трехфазные инверторы напряжения. Два импульсных регулятора напряжения понижающего типа стабилизируют и выравнивают напряжение на конденсаторах двух однофазных полумостовых инверторах напряжения, соединенных последовательно. Сглаживающий дроссель имеет обмотки с равным количеством витков, включенные через обратные диоды параллельно конденсаторам однофазных инверторов напряжения. Параллельно с транзисторным ключом и обратным диодом включен конденсатор в каждом импульсном регуляторе напряжения. Технический результат - повышение надежности - автоматическое выравнивание напряжения - исключение перенапряжений. 1 ил.
Полезная модель относится к элекротехнике, а именно к электроприводу электроподвижного состава постоянного тока и предназначено, в частности, для питания электрических машин, трансформаторов и других потребителей переменного тока.
Основной областью применения преобразователей постоянного напряжения является питание вспомогательных асинхронных двигателей электроподвижного состава постоянного тока.
Аналогом является известная схема питания трехфазного асинхронного двигателя (патент РФ на полезную модель №39763), содержащая в положительном и отрицательном зажимах источника сглаживающие дроссели, к выходам которых параллельно источнику питания подключены четыре последовательно соединенных конденсатора, разделенных общими точками, из которых два конденсатора отрицательной группы и два конденсатора положительной группы, параллельно конденсаторам каждой группы подключены однофазные инверторы напряжения, содержащие два последовательно соединенных ключа, разделенных средним выводом, - инвертор отрицательной группы и инвертор положительной группы. Каждая группа инверторов соединена общей точкой, имеющая связь с общей точкой конденсаторов отрицательной и положительной группы, к общей точке конденсаторов отрицательной группы и среднему выводу инвертора отрицательной группы подключена первичная обмотка первого понижающего трансформатора, а к общей точке конденсаторов положительной группы и среднему выводу инвертора положительной группы подключена первичная обмотка второго понижающего трансформатора, вторичные обмотки трансформаторов соединены между собой последовательно, к выводу вторичных обмоток подключен неуправляемый мостовой выпрямитель.
Недостаток силовой части схемы - полупроводниковые приборы (ключи) коммутатора находятся под половинным напряжением источника питания, что при работе схемы от источника питания с максимальным напряжением может привести к выходу ключей из строя.
Наиболее близким по технической сущности является преобразователь постоянного напряжения, содержащий два последовательно соединенных однофазных импульсных инвертора, в каждом из которых две группы конденсаторов совместно с двумя транзисторами образуют полумостовую схему однофазного импульсного инвертора, в диагонали упомянутых инверторов которых включены первичные обмотки разделительного трансформатора. Кроме того, преобразователь постоянного напряжения содержит неуправляемый диодный мост, получающий питание от вторичных обмоток трансформатора, соединенных параллельно, LC-фильтр на выходе диодного моста и трехфазный инвертор напряжения (патент РФ №2283529).
Недостаток силовой схемы так же, как и у аналога, - полупроводниковые ключи однофазных инверторов питаются нестабилизированным напряжением, что может приводить к их перегрузке и выходу ключей из строя.
Задачей изобретения является повышение надежности путем снижения и стабилизации напряжения на ключах однофазных инверторов напряжения.
Поставленная задача достигается тем, что в схему преобразователя постоянного напряжения, содержащего два последовательно соединенных однофазных импульсных инвертора, в каждом из которых две группы конденсаторов совместно с двумя транзисторами образуют полумостовую схему однофазного импульсного инвертора, в диагонали упомянутых инверторов включены первичные обмотки разделительного трансформатора, а также содержащий неуправляемый диодный мост, LC-фильтр и на его выходе трехфазный мостовой инвертор, вновь введены последовательно соединенные с дросселем в положительном и в отрицательном зажимах источника питания два импульсных регулятора напряжения понижающего типа, содержащих транзисторные ключи, двухобмоточные сглаживающие дроссели с равным количеством витков в обмотках, образующие с последовательно включенными обратными диодами схему выравнивания напряжения на конденсаторах двух последовательно соединенных однофазных инвертора, в каждом из которых две группы конденсаторов совместно с двумя транзисторами образуют полумостовую схему однофазного инвертора, в диагональ упомянутых инверторов включены первичные обмотки двух разделительных трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены с неуправляемыми мостовыми выпрямителями, отрицательные выводы выпрямителей соединены параллельно с конденсатором фильтра, а положительные выводы указанных выпрямителей соединены последовательно с дросселями фильтра, другие концы которых подсоединены параллельно конденсатору LC-фильтра, на выходе LC-фильтра подключены трехфазные мостовые инверторы напряжения.
Положительный эффект изобретения проявляется в том, что предлагаемое техническое решение позволит обеспечить повышение надежности преобразователя путем снижения, стабилизации и автоматического выравнивания напряжения на конденсаторах и ключах полумостовых однофазных инверторов напряжения.
На чертеже показана схема преобразователя постоянного напряжения, нагрузкой которого могут являться трехфазные асинхронные двигатели.
Преобразователь постоянного напряжения содержит клеммы для подключения к источнику питания, из которых - клемма 1 отрицательной полярности, клемма 2 положительной полярности, входной дроссель 3, подключенный к клемме 2 источника питания, последовательно соединенные конденсаторы 4 и 5, подключенные параллельно к дросселю 3 и отрицательной клемме 1 источника питания, образуют емкостной делитель, подключенный средней точкой к средней точке двух последовательно соединенных однофазных инверторов 6 и 7, образующих отрицательную и положительную
группы. Однофазный инвертор 6, отрицательной группы, подключен к отрицательной клемме питания 1 через импульсный регулятор напряжения отрицательной группы, состоящий из транзисторного ключа 8, подключенного к клемме 1 источника питания, двухобмоточного дросселя 9, подключенного концом основной обмотки к ключу 8 и аноду обратного диода 10, а началом к однофазному инвертору 6. Конец вспомогательной обмотки дросселя 9 подключен к соединенным вместе средним точкам конденсаторов 4 и 5 и однофазных инверторов 6 и 7, а начало вспомогательной обмотки дросселя 9 подсоединено к катоду обратного диода 11, соединенного анодом со средней точкой конденсаторного делителя однофазного инвертора 6, катодом диода 10 и конденсатором 12, другой конец которого соединен с клеммой 1 источника питания. Однофазный инвертор 7 подключен к дросселю 3 через импульсный регулятор положительной группы, состоящий из транзисторного ключа 13, подключенного к дросселю 3, двухобмоточного дросселя 14, подключенного началом основной обмотки к ключу 13 и катоду обратного диода 15, а концом к однофазному инвертору 7. Начало вспомогательной обмотки дросселя 14 подключено к соединенным вместе средним точкам конденсаторов 4 и 5 и однофазных инверторов 6 и 7, а конец вспомогательной обмотки дросселя 14 подсоединен к аноду обратного диода 16, соединенного катодом с конденсатором 17 и анодом обратного диода 15, катод которого соединен с началом основной обмотки дросселя 14, соединенного с ключом 13, а другой конец конденсатора 17 подключен к дросселю 3 в месте соединения с ключом 13. В каждом из инверторов 6 и 7 две группы конденсаторов совместно с двумя транзисторными модулями образуют полумостовые схемы однофазных инверторов, в диагональ которых включены первичные обмотки разделительных трансформаторов напряжения 18 и 19, вторичные обмотки которых подключены к неуправляемым мостовым выпрямителям 20 и 21, отрицательные выводы которых соединены параллельно с конденсатором 25 LC-фильтра 22, а положительные выводы указанных выпрямителей соединены последовательно с дросселями 23 и 24 LC-фильтра 22, другие концы которых подсоединены параллельно конденсатору 25 LC-фильтра 22, а на выходе указанного фильтра подключены трехфазные мостовые автономные инверторы напряжения 26. К выходным клеммам 27...38 трехфазных мостовых инверторов напряжения 26 производится подключение: электрических машин, трансформаторов и других потребителей переменного тока. Транзисторные ключи 8 и 13 могут быть выполнены на модулях IGBT, запираемых тиристорах GTO или других полупроводниковых приборах.
Питание преобразователя осуществляется от источника с напряжением от 2200 до 4000 В постоянного тока. Стабилизация напряжения на последовательно соединенных однофазных инверторах 6 и 7 осуществляется коммутацией транзисторных ключей 8 и 13 импульсных регуляторов напряжения. На интервале открытого состояния транзисторных ключей 8 и 13 ток источников питания протекает по основным обмоткам W1 дросселя 9 и дросселя 14 и в них происходит накопление энергии. После запирания транзисторных ключей 8 и 13 под действием ЭДС самоиндукции обмотки W1 дросселя
9 открывается обратный диод 10 и заряжает конденсатор 39 однофазного инвертора 6, ЭДС обмотки W1 дросселя 14 открывает обратный диод 15 и заряжает конденсатор 40. Благодаря магнитной связи между обмотками W1 и W2 дросселей и выбранной полярности включения последней напряжение на дополнительной обмотке W2 дросселя 9 открывает диод 11 и заряжает конденсатор 41 однофазного инвертора 6, а напряжение на дополнительной обмотке W2 дросселя 14 открывает диод 16 и заряжает конденсатор 42 однофазного инвертора 7. Напряжение на конденсаторах 39, 41 и 40, 42 распределяется пропорционально числу витков обмоток W1 и W2 дросселей 9 и 14. Поскольку число витков обмотки W1 равно числу витков обмотки W2, то напряжение на конденсаторах 39, 41 и 40, 42 поддерживается постоянным и одинаковым во всех режимах работы однофазных инверторов 6 и 7.
При работе импульсных регуляторов напряжения происходит деление между транзисторными ключами 8 и 13 напряжения подводимого к клеммам 1 и 2 источника питания за вычетом суммы напряжений на конденсаторах 41 и 42 однофазных инверторов напряжения 6 и 7. Транзисторные ключи 8 и 13 работают синхронно. Когда они выключены, диоды 10 и 15 открыты током намагничивания дросселей 9 и 14 и к транзисторным ключам 8 и 13 приложено напряжение конденсаторов 12 и 17 соответственно. Выравнивание напряжений на конденсаторах 12 и 17 происходит при включенном состоянии обоих транзисторных ключей 8 и 13. Однофазные инверторы 6 и 7 могут управляться способом широтно-импульсного регулирования, выходные автономные инверторы напряжения 26 - способом широтноимпульсной модуляции.
Таким образом, предложенный преобразователь постоянного напряжения позволяет повысить надежность существующих прототипов путем снижения, стабилизации и автоматического выравнивания напряжения на транзисторных ключах и конденсаторах однофазных инверторов напряжения.
1. Преобразователь постоянного напряжения, содержащий два последовательно соединенных однофазных инвертора, в каждом из которых две группы конденсаторов совместно с двумя транзисторами образуют полумостовую схему однофазного инвертора, в диагональ упомянутых инверторов включены первичные обмотки разделительных трансформаторов, кроме того, преобразователь содержит неуправляемые диодные мосты, подключенные к вторичным обмоткам трансформаторов, отрицательные выводы диодных мостов подключены параллельно конденсатору LC-фильтра, а положительные выводы диодных мостов соединены с дросселями, другие концы которых подключены параллельно конденсатору LC-фильтра, нагрузкой которого служат трехфазные автономные инверторы напряжения, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные с дросселем в положительном и отрицательном зажимах источника питания два импульсных регулятора напряжения понижающего типа, к выходам которых параллельно источнику питания подключены два указанных выше последовательно соединенных инвертора напряжения, импульсные регуляторы напряжения содержат транзисторные ключи, двухобмоточные сглаживающие дроссели, образующие с последовательно включенными обратными диодами схему выравнивания напряжения на конденсаторах однофазных инверторов напряжения, а конденсаторы, включенные одним концом в среднюю точку последовательно соединенных обратных диодов, объединенную со средней точкой последовательно соединенных конденсаторов однофазного полумостового инвертора, а другим к транзисторному ключу в каждом импульсном регуляторе, образуя схемы исключения коммутационных перенапряжений на транзисторном ключе.
2. Преобразователь постоянного напряжения по п.1, отличающийся тем, что обмотки сглаживающих дросселей импульсных регуляторов напряжения размещены на общем магнитопроводе.
