RU2111602C1

RU2111602C1 - Dc voltage changer

Info

Publication number: RU2111602C1
Application number: RU97105731/09A
Authority: RU
Inventors: С.И. Вольский; В.И. Чуев
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа "Спецремонт"
Priority date: 1997-04-17
Filing date: 1997-04-17
Publication date: 1998-05-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: DC-to-DC high-voltage changer is provided with two additional secondary windings in power transformer with additional rectifiers, ON/OFF logic element, current sensor, single-operation switch, additional diode, delay unit, comparator, AND gate, additional control-signal shaping unit, and two output step voltage buses; each semiconductor switch member is built up of series-connected thyristor cells. EFFECT: improved reliability when operating into inductive load and reduced power loss. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям постоянного тока напряжения, и может быть использовано в преобразователях постоянного высоковольтного напряжения (в частности, 4 кВ) в заданное количество постоянных напряжений различных уровней, одно из которых предназначено для питания электродвигателя. The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to DC-DC voltage converters, and can be used in DC-DC voltage converters (in particular, 4 kV) to a predetermined number of DC voltages of various levels, one of which is intended to power an electric motor.

Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий основную и две дополнительные инверторные ячейки, каждая из которых выполнена на двух тиристорах, выходные трансформаторы, подключенные к выпрямителю, и генератор коммутирующих импульсов (авт. св. СССР N 1705981, кл. H 02 M 3/305, 29.06.89). A known DC-voltage converter containing the main and two additional inverter cells, each of which is made on two thyristors, output transformers connected to the rectifier, and a switching pulse generator (ed. St. USSR N 1705981, class H 02 M 3/305, 06/29/89).

Однако известное устройство не способно обеспечивать достаточную точность поддержания выходных напряжений и надежную работу при широком изменении входного высоковольтного напряжения, особенно при работе на индуктивную нагрузку. However, the known device is not able to provide sufficient accuracy of maintaining the output voltage and reliable operation with a wide change in the input high-voltage voltage, especially when working on inductive load.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является преобразователь постоянного напряжения, содержащий мост, плечи первой стойки которого образованы конденсаторами, одни выводы которых подключены к соответствующим шинам входного напряжения, другие выводы через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора и конденсатора, подключены к первому выводу первичной обмотки силового трансформатора и к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, управляющий вход которого соединен с выходом соответствующего блока формирования сигналов управления, вторичную обмотку силового трансформатора, подключенную через выпрямитель и фильтр к шинам выходного напряжения, и генератор задающей частоты (патент GB N 2045550, кл. H 02 M 3/24, 1980). By technical nature, the closest to the proposed one is a DC-voltage converter containing a bridge, the shoulders of the first rack of which are formed by capacitors, some of the terminals of which are connected to the corresponding input voltage buses, other conclusions through the bridge diagonal formed by an oscillating circuit from a series-connected reactor and capacitor are connected to the first output of the primary winding of the power transformer and to the combined leads of the shoulders of the second pillar of the bridge, each of which is formed a semiconductor key element, the control input of which is connected to the output of the corresponding control signal generation unit, the secondary winding of the power transformer connected through the rectifier and filter to the output voltage buses, and the reference frequency generator (patent GB N 2045550, class H 02 M 3/24, 1980).

Однако и это известное устройство не способно обеспечивать надежную работу при наличии в качестве нагрузки электрического двигателя, функционирующего в повторно-кратковременном режиме работы. However, this known device is also not capable of ensuring reliable operation when there is an electric motor operating as a load in intermittent operation.

Техническим результатом изобретения является обеспечение надежной работы при наличии в качестве нагрузки электрического двигателя, функционирующего в повторно-кратковременном режиме работы, и снижение потерь мощности. The technical result of the invention is to ensure reliable operation when there is an electric motor operating in the intermittent mode of operation as a load, and to reduce power losses.

Для этого в преобразователь постоянного напряжения, содержащий мост, плечи первой стойки которого образованы конденсаторами, одни выводы которых подключены к соответствующим шинам входного напряжения, другие выводы через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора и конденсатора, подключены к первому выводу первичной обмотки силового трансформатора и к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, управляющий вход которого соединен с выходом соответствующего блока формирования сигналов управления, вторичную обмотку силового трансформатора, подключенную через выпрямитель и фильтр к шинам выходного напряжения, и генератор задающей частоты, введены две дополнительные вторичные обмотки силового трансформатора с дополнительными выпрямителями, переключающий логический элемент, датчик тока, однооперационный ключ, дополнительный диод, блок задержки, компаратор, логический элемент И, дополнительный блок формирования сигналов управления и две шины ступенчатого выходного напряжения, а каждый полупроводниковый ключевой элемент выполнен в виде последовательно соединенных тиристорных ячеек, управляющие входы которых объединены с управляющим входом полупроводникового ключевого элемента, причем второй вывод первичной обмотки силового трансформатора соединен с объединенными выводами конденсаторов первой стойки моста, выход генератора задающей частоты подключен к входу переключающего логического элемента, парафазные выходы которого подключены к входам соответствующих блоков формирования сигналов управления, датчик тока включен между выводами первой дополнительной вторичной обмоткой силового трансформатора и входами первого дополнительного выпрямителя, первый выход которого соединен с первой шиной ступенчатого выходного напряжения, вторая шина которого через однооперационный ключ соединен с первым выходом второго дополнительного выпрямителя, второй выход которого соединен с вторым выходом первого дополнительного выпрямителя и через обратно включенный дополнительный диод с второй шиной ступенчатого выходного напряжения, при этом выход датчика тока подключен через блок задержки и через компаратор к первому и второму выходам логического элемента И соответственно, выход которого через дополнительный блок формирования сигналов управления соединен с управляющим входом однооперационного ключа. To do this, into a DC-voltage converter containing a bridge, the shoulders of the first rack of which are formed by capacitors, some of the conclusions of which are connected to the corresponding input voltage buses, other conclusions through the bridge diagonal formed by an oscillating circuit from a series-connected reactor and capacitor are connected to the first output of the primary winding of the power transformer and to the combined leads of the shoulders of the second pillar of the bridge, each of which is formed by a semiconductor key element, the control input which is connected to the output of the corresponding control signal generation unit, the secondary winding of the power transformer connected via a rectifier and a filter to the output voltage buses, and the driving frequency generator, two additional secondary windings of the power transformer with additional rectifiers are introduced, a switching logic element, a current sensor, a single-operation key , additional diode, delay unit, comparator, AND logic element, additional control signal generation unit and two buses with a step output voltage, and each semiconductor key element is made in the form of series-connected thyristor cells, the control inputs of which are combined with the control input of the semiconductor key element, the second terminal of the primary winding of the power transformer connected to the combined terminals of the capacitors of the first bridge rack, the output of the driving frequency generator is connected to the input of the switching logic element whose paraphase outputs are connected to the inputs of the corresponding form blocks of control signals, a current sensor is connected between the terminals of the first additional secondary winding of the power transformer and the inputs of the first additional rectifier, the first output of which is connected to the first bus of the stepped output voltage, the second bus of which is connected via a single-operation key to the first output of the second additional rectifier, the second output of which is connected with the second output of the first additional rectifier and through the back-connected additional diode with a second bus step output voltage at the same time, the output of the current sensor is connected through the delay unit and through the comparator to the first and second outputs of the AND gate, respectively, the output of which is connected to the control input of the single-operation key through an additional block for generating control signals.

Сущность изобретения заключается в том, что введение вышеуказанных элементов и их соответствующее соединение позволяют снизить пусковые токи и величину мгновенной мощности до приемлемых значений, благодаря чему обеспечивается надежное функционирование преобразователя, снижаются потери мощности при работе его на индуктивную нагрузку в виде электродвигателя, функционирующего в повторно-кратковременном режиме. The essence of the invention lies in the fact that the introduction of the above elements and their corresponding connection can reduce inrush currents and instantaneous power to acceptable values, which ensures reliable operation of the converter, reduces power loss when it is operated on an inductive load in the form of an electric motor operating repeatedly short time mode.

Сравнение предлагаемого преобразователя с ближайшим аналогом позволяет утверждать о соответствии изобретения критерию "новизна", а отсутствие в аналогах отличительных признаков говорит о выполнении критерия "изобретательский уровень". Предварительные испытания позволяют утверждать о возможности широкого промышленного использования. Comparison of the proposed converter with the closest analogue allows us to state that the invention meets the criterion of "novelty", and the absence of distinctive features in the analogues indicates the fulfillment of the criterion of "inventive step". Preliminary tests suggest the possibility of wide industrial use.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя. The drawing shows a circuit diagram of the proposed Converter.

Преобразователь содержит шины 1, 2 входного высоковольтного напряжения, к которым подключены одни выводы конденсаторов 3, 4 образующих плечи первой стойки моста. Другие выводы конденсаторов 3, 4 через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора 5 и конденсатора 6, подключены к первому выводу первичной обмотки 7 силового трансформатора 8, вторичные обмотки 9-1...9-K которого через выпрямители 10-1...10-K и соответствующие фильтры 11-1...11-K подключены к шинам 12-1... 12-K, 13-1...13-K выходного напряжения. The converter contains buses 1, 2 of the input high-voltage voltage, to which one leads of the capacitors 3, 4 forming the shoulders of the first rack of the bridge are connected. Other outputs of capacitors 3, 4 through a bridge diagonal formed by an oscillatory circuit from series-connected reactor 5 and capacitor 6 are connected to the first output of the primary winding 7 of the power transformer 8, the secondary windings of which are 9-1 ... 9-K through rectifiers 10-1 ... 10-K and the corresponding filters 11-1 ... 11-K are connected to the buses 12-1 ... 12-K, 13-1 ... 13-K of the output voltage.

Первый вывод первичной обмотки 7 силового трансформатора 8 подключен к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, выполненным в виде последовательно соединенных тиристорных ячеек 14-1...14-N и 15-1...15-N, управляющие входы которых соединены с выходом соответствующего блока 16 или 17 формирования сигналов управления, вход каждого из которых подключен к соответствующему парафазному выходу 18 или 19 переключающего логического элемента 20. Вход последнего соединен с выходом генератора 21 задающей частоты. The first output of the primary winding 7 of the power transformer 8 is connected to the joint terminals of the shoulders of the second pillar of the bridge, each of which is formed by a semiconductor key element made in the form of series-connected thyristor cells 14-1 ... 14-N and 15-1 ... 15- N, the control inputs of which are connected to the output of the corresponding control signal generation unit 16 or 17, the input of each of which is connected to the corresponding paraphase output 18 or 19 of the switching logic element 20. The input of the latter is connected to the output of the generator ora 21 driving frequency.

Кроме того, преобразователь содержит компаратор 22, две дополнительные вторичные обмотки 23-1, 23-2 силового трансформатора 8, датчик 24 тока, два дополнительных выпрямителя 25-1, 25-2, однооперационный ключ 26 с обратно включенным диодом 27, блок 28 задержки, логический элемент И 29, дополнительный блок 30 формирования сигналов управления и две шины 31 и 32 ступенчатого выходного напряжения. In addition, the converter contains a comparator 22, two additional secondary windings 23-1, 23-2 of the power transformer 8, a current sensor 24, two additional rectifiers 25-1, 25-2, a single-operation key 26 with a back-on diode 27, a delay unit 28 , logical element And 29, an additional block 30 of the formation of control signals and two buses 31 and 32 of the stepped output voltage.

Каждая тиристорная ячейка содержит тиристор 33 с обратно включенным диодом 34. Each thyristor cell contains a thyristor 33 with a reverse diode 34.

Переключающий логический элемент 20 может быть выполнен в виде счетного триггера, а в качестве однооперационного ключа 26 может использоваться тиристор. The switching logic element 20 can be made in the form of a counting trigger, and a thyristor can be used as a single-operation key 26.

Преобразователь работает следующим образом. The converter operates as follows.

При наличии входного напряжения генератор 21 постоянно с требуемой частотой и длительностью вырабатывает сигналу управления на переключающий логический элемент 20, который поочередно на выходах 18 или 19 вырабатывает импульсы, по фронту либо по срезу которых блоки 16 и 17 поочередно формируют сигналы управления на открывание тиристоров 33 силовых ячеек 14-1...14-N и 15-1...15-N соответственно. In the presence of an input voltage, the generator 21 constantly generates a control signal to the switching logic element 20 with the required frequency and duration, which alternately generates pulses at the outputs 18 or 19, along the edge or along the slice of which the blocks 16 and 17 alternately generate control signals to open the power thyristors 33 cells 14-1 ... 14-N and 15-1 ... 15-N, respectively.

Входное постоянное напряжение при поочередное открывании тиристоров 33 силовых ячеек 14-1...14-N верхнего плеча и тиристоров 33 силовых ячеек 15-1. ..15-N нижнего плеча преобразуется на реакторе 5 и конденсаторе 6 колебательного контура в однофазное переменное напряжение и подается на первичную обмотку 7 силового трансформатора 8, которое из одного уровня преобразуется во вторичных обмотках 9-1...9-K и 23-1, 23-2 в напряжения других уровней, которые после выпрямителей 10-1...10-K и сглаживающих фильтров 11-1...11-K образуют на положительных выходных шинах 12-1...12-K и отрицательных выходных шинах 13-1...13-K требуемые выходные напряжения преобразователя. The input DC voltage during the alternate opening of the thyristors 33 power cells 14-1 ... 14-N of the upper arm and the thyristors 33 power cells 15-1. ..15-N of the lower arm is converted at the reactor 5 and the capacitor 6 of the oscillatory circuit into a single-phase alternating voltage and fed to the primary winding 7 of the power transformer 8, which is converted from one level in the secondary windings 9-1 ... 9-K and 23- 1, 23-2 in the voltage of other levels, which after rectifiers 10-1 ... 10-K and smoothing filters 11-1 ... 11-K form on the positive output buses 12-1 ... 12-K and negative output buses 13-1 ... 13-K required output voltage of the Converter.

При этом в исходном положении к нагрузке, которая подсоединяется через внешние коммутаторы к шинам 31 и 32, подключен через диод 27 и перемычку только выпрямитель 25-1. При появлении тока в данной нагрузке на датчике 24 тока появляется прямо пропорциональный ему сигнал, который поступает на входы блок 28 задержки и компаратора 22. Блок 28 задержки при наличии тока в нагрузке через заданное время вырабатывает первый сигнал разрешения для элемента И 29. Второй сигнал разрешения вырабатывает компаратор 22 при величине тока нагрузки менее заданного значения. Moreover, in the initial position, only the rectifier 25-1 is connected to the load, which is connected via external switches to the buses 31 and 32, through the diode 27 and the jumper. When a current appears in a given load, a signal directly proportional to it appears on the current sensor 24, which enters the inputs of the delay unit 28 and comparator 22. The delay unit 28, when there is current in the load, generates the first permission signal for the AND element 29 after a specified time. The second permission signal produces a comparator 22 when the load current is less than a predetermined value.

При совпадении двух разрешающих сигналов элемент И 29 формирует импульс, по фронту либо по срезу которого блок 30 формирования вырабатывает сигнал на открывании однооперационного ключа 26. Ключ 26 открывается и к нагрузке подключается полное требуемое напряжение питания от согласно-последовательно соединенных выпрямителей 25-1 и 25-2. If two enable signals coincide, the And element 29 generates a pulse along the edge or slice of which the forming unit 30 generates a signal at the opening of the single-operation key 26. The key 26 opens and the full required supply voltage is connected to the load from the rectifiers 25-1 and 25 connected in series -2.

Таким образом, при пуске за счет питания нагрузки пониженным напряжением от выпрямителя 25-1 и меньшего коэффициента трансформатора между обмотками 23-1 и 7 обеспечиваются малые пусковые токи и значение мгновенной мощности в преобразователе. Thus, when starting due to the supply of the load with a reduced voltage from the rectifier 25-1 and a lower transformer coefficient between the windings 23-1 and 7, low inrush currents and an instantaneous power value in the converter are provided.

Таким образом, обеспечивается решение поставленной задачи: повышение надежности и снижение потерь мощности при работе на индуктивную нагрузку. Thus, the solution of the problem is provided: increasing reliability and reducing power losses when working on inductive load.

Claims

A DC-voltage converter comprising a bridge, the shoulders of the first rack of which are formed by capacitors, some of the conclusions of which are connected to the corresponding input voltage buses, other conclusions through the bridge diagonal formed by the oscillating circuit of the reactor and capacitor connected in series, are connected to the first output of the primary winding of the power transformer and to the combined conclusions of the shoulders of the second pillar of the bridge, each of which is formed by a semiconductor key element, the control input of which the secondary winding of the power transformer connected through the rectifier and filter to the output voltage buses and the driving frequency generator, which is characterized by the fact that two additional secondary windings of the power transformer with additional rectifiers, switching a logic element, a current sensor, is single with the output of the corresponding control signal generation block , single-operation key, additional diode, delay unit, comparator, logic element AND, additional unit for generating control signals and two buses of step output voltage, and each semiconductor key element is made in the form of series-connected thyristor cells, the control inputs of which are combined with the control input of the semiconductor key element, the second terminal of the primary winding of the power transformer connected to the combined terminals of the capacitors of the first bridge rack, the output of the driving frequency generator connected to the input of the switching logic element, the paraphase outputs of which are connected to the inputs of the corresponding locks for generating control signals, a current sensor is connected between the terminals of the first additional secondary winding of the power transformer and the inputs of the first additional rectifier, the first output of which is connected to the first bus of the stepped output voltage, the second bus of which is connected via a single-operation key to the first output of the second additional rectifier, the second output of which connected to the second output of the first additional rectifier and, via a reverse-connected additional diode, to the second bus of steps at the same time, the output of the current sensor is connected through the delay unit to the first input of the AND logic element and through the comparator to the second input of the AND logic element, the output of which is connected to the control input of the single-operation key through an additional control signal generation unit, while the first additional rectifier connected in series with the second additional rectifier to the load buses.