2015_zinoviev

Рис 1.5. Трехлистовой (для трехтактного режима) преобразователь постоянного напряжения

предпоследних диодов диодно-транзисторной цепочки ДТ 6, связаны и с точкой соединения крайнего и предшествующего конденсаторов основного конденсаторного делителя КД 1, а аноды крайних диодов всех диодно-транзисторных делителей ДТ связаны каждый с отдельным

11

выводом токового делителя ТД 13, входной ввод которого образует положительный высоковольтный полюс преобразователя, в то время как отрицательный высоковольтный полюс преобразователя образует один вывод нагрузки 14, соединенный с начальным выводом первого конденсатора конденсаторного делителя КД 1, второй вывод нагрузки при этом соединен со вторым выводом первого конденсатора конденсаторного делителя КД 1.

Работу предлагаемого высоковольтного преобразователя постоянного напряжения рассмотрим в следующем порядке. Сначала дадим описание работы однолистового преобразователя, который в своей основе подобен повышающему преобразователю постоянного тока Ко- крофт–Уолта, а затем рассмотрим особенности работы многолистового преобразователя.

Однолистовой преобразователь, который содержится в преобразователе (рис. 1.5), при виртуальном удалении из него листов, обозначенных 4 и 5, работает следующим образом в двухинтервальном режиме управления. В установившемся режиме работы все конденсаторы основного конденсаторного делителя КД 1 и конденсаторы ре- акторно-конденсаторного делителя РК 9 заряжены примерно на уровне Uc Uhv / N . В первом интервале управления транзисторы

диодно-транзисторного делителя ДТ включаются через один, начиная с транзистора, подключенного (через делитель тока 13) к положительному высоковольтному полюсу преобразователя. При этом конденсаторы 11 реакторно-конденсаторного делителя РК 9 через реакторы 10 в колебательном режиме подзаряжаются через два включенных транзистора диодно-транзисторного делителя ДТ от соответствующих конденсаторов основного конденсаторного делителя КД 1, восполняя отданную из этих конденсаторов энергию на предыдущем интервале управления. Во втором интервале управления включаются остальные транзисторы диодно-транзисторного делителя ДТ, которые были выключены на первом интервале управления. Теперь уже конденсаторы 11 реакторно-конденсаторного делителя РК 9 через соответствующие другие пары включенных транзисторов и реакторы 10 в колебательном режиме подзаряжают конденсаторы основного конденсаторного делителя КД 1, передавая с первого конденсатора этого делителя энергию в конденсатор 2 нагрузки и нагрузку 14.

Таким образом, энергия, отбираемая от высоковольтного источника питания преобразователя, распространяется путем последователь-

12

ного во времени перезаряда конденсаторов конденсаторного делителя КД 1 и реакторно-конденсаторного делителя КР 9 на сторону пониженного напряжения нагрузки.

Невысокое качество выходного тока однотактного преобразователя обусловливает необходимость применения двухтактных и трехтактных преобразователей. На рис. 1.6 показаны токи, потребляемые конденсатором нагрузки из общего конденсаторного делителя совместно с нагрузкой для одно-, двух- и трехтактных преобразователей.

Рис. 1.6. Токи, потребляемые конденсатором нагрузки из общего конденсаторного делителя совместно с нагрузкой для одно-,

двух- и трехтактных преобразователей

Схема замещения на первом такте двухтактного (двухлистового) преобразователя постоянного напряжения показана на рис. 1.7.

L-листовой высоковольтный преобразователь постоянного напряжения позволяет умножить в L раз предельную мощность нагрузки. Особенностью управления транзисторами соответствующих листов

13

но получить формулы для оценки коэффициентов гармоник напряжения и тока соответственно, как того требует задание для самостоятельной работы (см. пункты 1, 2 раздела 5).

Рис. 1.8. Внешняя характеристика двухтактного 6-ступенчатого высоковольтного преобразователя

Рис. 1.9. Регулировочная характеристика двухтактного 6-ступенчатого преобразователя

Обе характеристики сняты в модели PSIM преобразователя, показанной на рис. 1.11.

Преобразователь имеет достаточно жесткую внешнюю характеристику и достаточный диапазон подрегулирования выходного напряжения, позволяющий обеспечить стабилизацию выходного напряжения. Подобные характеристики имеет и трехтактный 6-ступенчатый высоковольтный преобразователь.

15

На рис. 1.12 приведена внешняя характеристика трехтактного 6-ступенчатого высоковольтного преобразователя постоянного напряжения с входным напряжением 24 кВ, а на рис. 1.10 – его регулировочная характеристика.

Рис. 1.10. Регулировочная характеристика трехтактного 6-ступенчатого преобразователя

Рис. 1.11. PSIM-модель двухтактного 6-ступенчатого преобразователя

16

Рис. 1.12. Внешняя характеристика трехтактного 6-ступенчатого высоковольтного преобразователя

Рис. 1.13. Схема замещения преобразователя на первом подынтервале управления

17

Рис. 1.14. Пример ветроэнергетической системы с вставками постоянного тока 2…30 кВ

Схема замещения преобразователя на первом подинтервале управления показана на рис. 1.13.

Из характеристик видно, что оба варианта преобразователей обеспечивают номинальное напряжение на выходе 3 кВ при токе 400 А, что обеспечивает активную мощность 1200 кВт, требуемую тяговым асинхронным двигателем АТД-1200 авангардного будущего электровоза постоянного тока. КПД преобразователя, измеренный на модели,

равен 0,96…0,97.

Возможно и построение таких схем с гальванической изоляцией выхода от высоковольтного входа, как показали предварительные исследования. Эти решения будут оформлены заявками на изобретения на следующем этапе работы.

Таким образом, предлагаемый высоковольтный преобразователь постоянного напряжения имеет расширенные функциональные возможности по сравнению с преобразователями предыдущего раздела, за счет способности передачи мощности в обоих направлениях и за счет возможных больших значений коэффициента преобразования по напряжению.

Наши высоковольтные понижающие DC-DC конверторы характеризуются тем, что напряжения на всех элементах схемы равны напряжению на стороне пониженного напряжения, т. е. 3 кВ в рассматриваемом случае. Это приводит к соответствующему повышению количества ячеек и элементов при увеличении коэффициента преобразования по напряжению. Если это ограничение на уровень напряжения на транзисторах снять, то можно построить схемы DC-DC конверторов с меньшим числом транзисторов. Такие решения предлагают использовать в автономных системах генерации с промежуточными сетями постоянного напряжения. На рис. 1.14 показан пример такой сети для ветроэнергетических станций [25].

18

1.3. СХЕМЫ НА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ КАНАЛАХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Рассмотренные в двух предыдущих параграфах базовые схемы DC-DC преобразователей не имеют гальванической развязки входных и выходных сетей. Разработка указанных преобразователей с гальванической развязки входных и выходных сетей будет выполнятся на следующем этапе работы. В тех случаях, когда такая развязка необходима, используют преобразование с промежуточным звеном переменного тока повышенной частоты. Структурная схема такого преобразователя, часто называемого трансформатором постоянного тока, показана на рис. 1.15. Здесь постоянное напряжение на входе модуля преобразуется в переменное высокочастотное напряжение, как правило однофазное, трансформируется и гальванически изолируется на вторичной стороне трансформатора и затем выпрямляется.

Рис. 1.15. Модуль трансформатора постоянного тока

Из таких модулей компонуются высоковольтные преобразователи по входу при их последовательном соединении, как показано на рис. 1.16. По выходу модули соединяются или параллельно при необходимости понижения напряжения, или последовательно при необходимости повышения напряжения, или комбинированно.

Принципиальные схемы выпрямительных и инверторных ячеек выполняются, как правило, по однофазным мостовым или полумостовым схемам. Выпрямительную ячейку мы рассматриваем здесь как обращенную инверторную ячейку. При необходимости к качестве инверторных ячеек можно использовать любую подходящую ячейку из богатого арсенала многоуровневых многофазных конверторов. На рис. 1.18 показан модуль трансформатора постоянного тока на мостовых ячейках

На рис. 1.18 показан модуль трансформатора постоянного тока на полумостовых ячейках.

Последний вариант, как более простой для макетирования, был положен в основу экспериментального макета AC/AC трансформатора.

19