RU63620U1

RU63620U1 - DC / DC Converter

Info

Publication number: RU63620U1
Application number: RU2006144334/22U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владимирович Синявский
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2007-05-27

Abstract

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.The utility model relates to electrical engineering and is intended to power AC electric machines. The DC / DC converter contains an input filter, switching voltage regulators, single-phase half-bridge inverters, isolation transformers, bridge rectifiers, an LC-filter and three-phase voltage inverters. Two step-down voltage regulators of lowering type stabilize and equalize the voltage on the capacitors of two single-phase half-bridge voltage inverters connected in series. The smoothing inductor has windings with an equal number of turns, connected via reverse diodes in parallel to the capacitors of single-phase voltage inverters. In parallel with the transistor switch and the reverse diode, a capacitor is connected in each switching voltage regulator. EFFECT: increased reliability - automatic voltage equalization - elimination of overvoltages. 1 ill.

Description

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.The utility model relates to electrical engineering, namely to an electric drive of electric rolling stock of direct current and is intended, in particular, to power electrical machines, transformers and other consumers of alternating current.

Основной областью применения преобразователей постоянного напряжения является питание вспомогательных асинхронных двигателей электроподвижного состава постоянного тока.The main field of application of DC / DC converters is the supply of auxiliary asynchronous motors of electric rolling stock of direct current.

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.An analogue is the well-known power scheme of a three-phase asynchronous motor (RF patent for utility model No. 39763), which contains smoothing inductors in the positive and negative terminals of the source, to the outputs of which four series-connected capacitors are connected in parallel, separated by common points, of which two negative-group capacitors and two capacitors of the positive group, parallel to the capacitors of each group are connected single-phase voltage inverters containing two series The wired key, separated by the middle terminal, is the inverter of the negative group and the inverter of the positive group. Each group of inverters is connected by a common point, which is connected with a common point of the negative and positive group capacitors, a primary winding of the first step-down transformer is connected to a common point of the negative group capacitors and the middle terminal of the negative inverter, and a positive group inverter common point and the middle terminal of the positive group the primary winding of the second step-down transformer is connected, the secondary windings of the transformers are interconnected in series, to The output of the secondary windings is connected to an uncontrolled bridge rectifier.

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.The disadvantage of the power part of the circuit is that the semiconductor devices (keys) of the switch are under half the voltage of the power source, which, when the circuit is operated from the power source with the maximum voltage, can cause the keys to fail.

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).The closest in technical essence is a DC-voltage converter containing two serially connected single-phase pulse inverters, in each of which two groups of capacitors together with two transistors form a half-bridge circuit of a single-phase pulse inverter, the primary windings of an isolation transformer included in the diagonal of the mentioned inverters. In addition, the DC-DC converter contains an uncontrolled diode bridge, powered by transformer secondary windings connected in parallel, an LC filter at the output of the diode bridge and a three-phase voltage inverter (RF patent No. 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.The disadvantage of the power circuit, as well as that of the analogue, is that the semiconductor switches of single-phase inverters are powered by unstabilized voltage, which can lead to their overload and failure of the keys.

Задачей изобретения является повышение надежности путем снижения и стабилизации напряжения на ключах однофазных инверторов напряжения.The objective of the invention is to increase reliability by reducing and stabilizing the voltage on the keys of single-phase voltage inverters.

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.This object is achieved by the fact that in the circuit of a DC-voltage converter containing two serially connected single-phase pulse inverters, in each of which two groups of capacitors together with two transistors form a half-bridge circuit of a single-phase pulse inverter, the primary windings of the isolation transformer are included in the diagonal of the mentioned inverters, and containing an uncontrolled diode bridge, an LC filter, and a three-phase bridge inverter at its output, the series two pulsed step-down voltage regulators with a choke in the positive and negative terminals of the power source, containing transistor switches, two-winding smoothing chokes with an equal number of turns in the windings, forming a voltage equalization circuit on the capacitors of two series-connected single-phase inverters with series-connected reverse diodes, in each of which two groups of capacitors together with two transistors form a half-bridge circuit of a single-phase inverter , the diagonal of the mentioned inverters includes the primary windings of two isolation transformers, the secondary windings of which are connected to uncontrolled bridge rectifiers, the negative terminals of the rectifiers are connected in parallel with the filter capacitor, and the positive terminals of these rectifiers are connected in series with the filter chokes, the other ends of which are connected in parallel with the LC filter capacitor , three-phase bridge voltage inverters are connected at the output of the LC filter.

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.The positive effect of the invention is manifested in the fact that the proposed technical solution will allow to increase the reliability of the converter by reducing, stabilizing and automatically equalizing the voltage across the capacitors and switches of half-bridge single-phase voltage inverters.

На чертеже показана схема преобразователя постоянного напряжения, нагрузкой которого могут являться трехфазные асинхронные двигатели.The drawing shows a diagram of a DC / DC converter, the load of which can be three-phase asynchronous motors.

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 The DC / DC converter contains terminals for connecting to a power source, of which - terminal 1 of negative polarity, terminal 2 of positive polarity, input choke 3, connected to terminal 2 of the power source, series-connected capacitors 4 and 5, connected in parallel to reactor 3 and negative terminal 1 power supply, form a capacitive divider connected by a midpoint to the midpoint of two series-connected single-phase inverters 6 and 7, forming a negative and a positive

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.groups. A single-phase inverter 6, of the negative group, is connected to the negative power terminal 1 through a negative voltage pulse voltage regulator, consisting of a transistor switch 8 connected to the power supply terminal 1, a two-winding inductor 9, connected by the end of the main winding to the key 8 and the anode of the reverse diode 10, and the beginning to a single-phase inverter 6. The end of the auxiliary winding of the inductor 9 is connected to the midpoints of the capacitors 4 and 5 and the single-phase inverters 6 and 7 connected together, and the beginning of the auxiliary winding of the throttle 9 is connected to the cathode of the return diode 11, the anode connected to a midpoint of the capacitor divider single-phase inverter 6, the cathode of the diode 10 and the capacitor 12, the other end of which is connected to the power source terminal 1. A single-phase inverter 7 is connected to the inductor 3 through a positive group switching regulator, consisting of a transistor switch 13 connected to the inductor 3, a two-winding inductor 14, connected by the beginning of the main winding to the switch 13 and the cathode of the inverse diode 15, and the end to the single-phase inverter 7. Start of the auxiliary the inductor winding 14 is connected to the midpoints of the capacitors 4 and 5 and the single-phase inverters 6 and 7 connected together, and the end of the auxiliary inductor winding 14 is connected to the anode of the reverse diode 16 connected to the cathode the capacitor 17 and the anode of the reverse diode 15, the cathode of which is connected to the beginning of the main winding of the inductor 14 connected to the key 13, and the other end of the capacitor 17 is connected to the inductor 3 at the junction with the key 13. In each of the inverters 6 and 7, two groups of capacitors together with two transistor modules form half-bridge circuits of single-phase inverters, the diagonal of which includes the primary windings of voltage isolation transformers 18 and 19, the secondary windings of which are connected to uncontrolled bridge rectifiers 20 and 21, negative the positive terminals of which are connected in parallel with the capacitor 25 of the LC filter 22, and the positive terminals of these rectifiers are connected in series with the inductors 23 and 24 of the LC filter 22, the other ends of which are connected in parallel with the capacitor 25 of the LC filter 22, and three-phase bridge connected to the output of the specified filter autonomous voltage inverters 26. To the output terminals 27 ... 38 of three-phase bridge voltage inverters 26, the following connections are made: electrical machines, transformers and other alternating current consumers. Transistor switches 8 and 13 can be made on IGBT modules, lockable thyristors GTO or other semiconductor devices.

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 The converter is powered from a source with a voltage of 2200 to 4000 V DC. Voltage stabilization on serially connected single-phase inverters 6 and 7 is carried out by switching transistor switches 8 and 13 of the pulse voltage regulators. In the open state interval of the transistor switches 8 and 13, the current of the power sources flows through the main windings W1 of the inductor 9 and the inductor 14 and energy is accumulated in them. After locking the transistor switches 8 and 13 under the influence of EMF self-induction of the winding W1 of the inductor

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 7.9, the reverse diode 10 opens and charges the capacitor 39 of the single-phase inverter 6, the EMF of the winding W1 of the inductor 14 opens the reverse diode 15 and charges the capacitor 40. Due to the magnetic coupling between the windings W1 and W2 of the reactors and the selected polarity of the last connection, the voltage across the additional winding W2 of the inductor 9 opens the diode 11 and charges the capacitor 41 of the single-phase inverter 6, and the voltage on the additional winding W2 of the inductor 14 opens the diode 16 and charges the capacitor 42 of the single-phase inverter 7. The voltage is distributed across the capacitors 39, 41 and 40, 42 I is proportional to the number of windings W1 and W2 windings throttles 9 and 14. Since the number of windings W1 equal to the number of turns of winding W2, the voltage on the capacitors 39, 41 and 40, 42 is kept constant and the same in all operation modes of single-phase inverters 6 and 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.During the operation of pulse voltage regulators, the voltage between the transistor switches 8 and 13 of the power supply supplied to terminals 1 and 2 minus the sum of the voltages at the capacitors 41 and 42 of the single-phase voltage inverters 6 and 7. The transistor switches 8 and 13 work synchronously. When they are turned off, the diodes 10 and 15 are open by the magnetizing current of the chokes 9 and 14 and the voltage of the capacitors 12 and 17 are applied to the transistor switches 8 and 13, respectively. The voltage equalization on the capacitors 12 and 17 occurs when both transistor switches 8 and 13 are turned on. Single-phase inverters 6 and 7 can be controlled by pulse-width regulation, output autonomous voltage inverters 26 - by pulse-width modulation.

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.Thus, the proposed DC-DC converter can improve the reliability of existing prototypes by reducing, stabilizing and automatically equalizing the voltage on the transistor switches and capacitors of single-phase voltage inverters.

Claims

1. A DC-voltage converter containing two series-connected single-phase inverters, in each of which two groups of capacitors together with two transistors form a half-bridge circuit of a single-phase inverter, the primary windings of isolation transformers are included in the diagonal of the inverters, in addition, the converter contains uncontrolled diode bridges connected to the secondary windings of the transformers, the negative terminals of the diode bridges are connected in parallel with the LC filter capacitor, and by The vital terminals of the diode bridges are connected to reactors, the other ends of which are connected in parallel with the LC filter capacitor, the load of which are three-phase autonomous voltage inverters, characterized in that two step-down voltage regulating voltage regulators connected in series with the inductor in the positive and negative terminals of the power supply the outputs of which are parallel to the power source are connected to the two above-mentioned series-connected voltage inverters, pulse regulating The voltages contain transistor switches, double-winding smoothing chokes, forming a voltage equalization circuit for the capacitors of single-phase inverters with series-connected reverse diodes, and capacitors connected at one end to the midpoint of the series-connected reverse diodes, combined with the midpoint of the series-connected capacitors of a single-phase half-bridge inverter, and the other to the transistor switch in each switching regulator, forming switching exclusion circuits overvoltage transistor key.

2. The DC-voltage converter according to claim 1, characterized in that the windings of the smoothing chokes of the pulse voltage regulators are placed on a common magnetic circuit.