RU190083U1

RU190083U1 - DC Pulse Frequency Converter

Info

Publication number: RU190083U1
Application number: RU2018138276U
Authority: RU
Inventors: Станислав Борисович Резников; Игорь Александрович Харченко; Валерий Владимирович Савостьянов; Александр Борисович Корнилов; Максим Михайлович Томилин
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2019-06-18

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в качестве вторичного источника электропитания для потребителей переменного тока (одно- или трехфазных) с регулируемыми частотой и амплитудой, в частности - мощных исполнительных электроприводов, от сети или автономного генератора переменного тока с нестабилизируемыми параметрами и/или резервной аккумуляторной (суперконденсаторной) батареи.Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения обратимости преобразования электроэнергии, в частности - ее рекуперации из нагрузки в основной и в резервный источники, а также питание дополнительной нагрузки переменного тока со стабилизированной амплитудой напряжения. К дополнительным результатам относятся: повышение удельной мощности, КПД и надежности и снижение помехоизлучений за счет обеспечения «мягкой» коммутации электронных ключей с помощью использования нерассеивающих демпферно-снабберных цепочек. Указанные результаты обеспечиваются благодаря тому, что в импульсный преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения, содержащий первую и вторую основные группы 1-2 и 3-4 внешних фазных выводов переменного тока для подключения источника электропитания с нестабильными параметрами и основной нагрузки с регулируемыми частотой и амплитудой напряжения, внешние дифференциальные выводы 5-6-7 постоянных напряжений для подключения резервного источника или накопителя электроэнергии постоянного тока, фазные фильтровые конденсаторы 8, 9 и двухконденсаторную фильтровую стойку 10-11, входной Виенна-выпрямитель 12 с первым корректором коэффициента мощности в виде входных балластных дросселей 13 с первой группой 14 заземляющих двунаправленных ключей, первый и второй трансреакторы 15-16 и 17-18, две двухключевые стойки 19-20 и 21-22, а также блок управления 23 с цепями 24, 25 обратных связей и с основными группами 26, 27 импульсно-модуляторных выводов, во-первых, ВВЕДЕНЫ выходной выпрямитель 28 со вторым корректором коэффициента мощности в виде выходных балластных дросселей 29 со второй группой 30 заземляющих ключей, а также два управляемых вентиля 31 и 32, а блок управления СНАБЖЕН релейно-сигнальными выводами 33 и дополнительной группой 34 импульсно-модуляторных выводов, во-вторых, каждый из ключей, подключенных ко второму трансреактору, СНАБЖЕН обратно-блокирующим диодом, зарядно-разрядной двухдиодной стойкой 35, 36 и снабберным конденсатором 37, 38, выходной выпрямитель СНАБЖЕН рекуператорной электронной стойкой 39, а блок управления СНАБЖЕН вспомогательной группой 40 импульсно-модуляторных выводов, в-третьих, в него ВВЕДЕНЫ третья дополнительная группа 41-42 внешних фазных выводов для подключения дополнительной нагрузки переменного тока со стабилизированной амплитудой напряжения и фильтр 43-44, и в-четвертых, его перечисленные узлы и элементы ВЫПОЛНЕНЫ в трехфазном варианте.The utility model relates to electrical engineering and to pulsed power electronics and is intended for use as a secondary power source for alternating current consumers (single or three-phase) with adjustable frequency and amplitude, in particular, powerful actuating drives, from a mains or autonomous alternator with non-stabilized parameters and / or backup battery (super-capacitor) battery. The main technical result of the proposal is to expand the functional capabilities of the device by ensuring the reversibility of the conversion of electricity, in particular - its recovery from the load to the primary and backup sources, as well as supplying additional AC load with a stabilized voltage amplitude. Additional results include: increase in specific power, efficiency and reliability, and reduction of noise emissions by providing "soft" switching of electronic keys using non-scattering snubber-snubber chains. These results are ensured by the fact that a pulse frequency converter with a DC voltage link containing the first and second main groups 1-2 and 3-4 external phase AC terminals for connecting a power source with unstable parameters and the main load with adjustable frequency and voltage amplitude , external differential terminals 5-6-7 of constant voltages for connecting a backup source or storage of DC electricity, phase filter capacitors 8, 9 and dual-capacitor filter rack 10-11, input Vienna rectifier 12 with the first power factor corrector in the form of input ballast chokes 13 with the first group of 14 grounding bidirectional keys, the first and second transreactors 15-16 and 17-18, two-key racks 19-20 and 21-22, as well as the control unit 23 with the circuits 24, 25 feedbacks and with the main groups 26, 27 pulse-modulator outputs, firstly, the output rectifier 28 is introduced with the second power factor corrector in the form of output ballast chokes 29 with the second group 30 for of the grounding keys, as well as two controlled valves 31 and 32, and the control unit SUPPLY relay-signal outputs 33 and an additional group of 34 pulse-modulator outputs, secondly, each of the keys connected to the second transreactor, is equipped with a back-blocking diode -discharge two-diode rack 35, 36 and snubber capacitor 37, 38, the output rectifier is equipped with a recuperator electronic stand 39, and the control unit is equipped with auxiliary group 40 pulse-modulator pins, the third option has been introduced itelnaya group 41-42 external phase connection for connecting an additional load with a stabilized AC voltage amplitude and the filter 43-44, and fourthly, it listed components and elements are configured in a three phase embodiment.

Description

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в качестве вторичного источника электропитания для потребителей переменного тока (одно- или трехфазных) с регулируемыми частотой и амплитудой, в частности - мощных исполнительных электроприводов, от сети или автономного генератора переменного тока с нестабилизируемыми параметрами и/или резервной аккумуляторной (суперконденсаторной) батареи.The utility model relates to electrical engineering and to pulsed power electronics and is intended for use as a secondary power source for alternating current consumers (single or three-phase) with adjustable frequency and amplitude, in particular, powerful actuating drives, from a mains or autonomous alternator with unstabilized parameters and / or backup battery (supercapacitor) batteries.

Известен импульсный преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения (аналог), содержащий первую и вторую группы внешних фазных выводов переменного тока, включая заземленные для подключения источника электропитания с нестабильными параметрами нагрузки с регулируемыми частотой и амплитудой и две группы дифференциальных выводов, включая заземленные среднепотенциальные, для подключения резервных источников электропитания постоянного тока, зашунтированные двухконденсаторными фильтровыми стойками, разделенные обратимым трансформаторным импульсным конвертором с шунтирующими перемычками и подключенные к внешним фазным выводам через соответствующие обратимые выпрямительно-инверторные преобразователи с корректорами коэффициента мощности, а также блок управления с цепями обратных связей и импульсно-модуляторными выводами (Резников С.Б., Бочаров В.В., Харченко Н.А. Электромагнитная и электроэнергетическая совместимость систем электроснабжения и вторичных источников питания полностью электрифицированных самолетов. Под ред. С.Б. Резникова. М.: Изд-во МАИ, 2014. - 160 с. Стр. 107, Рис. 2.5.2, стр. 108, Рис. 2.5.3., стр. 110, Рис. 2.5.4. и стр. 112, Рис. 2.5.5).A pulsed frequency converter with a DC voltage link (analogue) is known, containing the first and second groups of external phase AC outputs, including grounded for connecting a power source with unstable load parameters with adjustable frequency and amplitude and two groups of differential leads, including grounded mid-potential, for connecting back-up DC power supplies, shunted by dual-capacitor filter racks, separated by reversible tra a shunt jumper with a shunt jumper and connected to external phase pins via corresponding reversible rectifier-inverter converters with power factor correctors, as well as a control unit with feedback circuits and pulse-modulator pins (Reznikov SB, Bocharov VV, Kharchenko NA Electromagnetic and electropower compatibility of power supply systems and secondary power sources of fully electrified aircraft. Ed. S.B. Reznikova. M .: Izd-vo MAI, 2014. - 160 p. Page 107, Fig. 2.5.2, p. 108, Fig. 2.5.3., P. 110, Fig. 2.5.4. and p. 112, Fig. 2.5.5).

Его основным достоинством является обратимость преобразователя электроэнергии, гальваническая развязка между источником и нагрузкой и исключение цепи для «сквозных сверхтоков» при несанкционированных включениях электронных ключей (из-за воздействия на блок управления электромагнитных импульсов молнии).Its main advantage is the reversibility of the electric power converter, galvanic isolation between the source and the load, and the elimination of the circuit for “through overcurrents” in case of unauthorized switching on of electronic keys (due to the impact on the control unit of electromagnetic lightning pulses).

К недостаткам указанного известного устройства (аналога) относятся: низкие удельная мощность, КПД и надежность из-за многократного преобразования и наличия трансформаторного узла, а также из-за жесткой коммутации электронных ключей (со ступенчатыми одновременными скачками токов и напряжений с большими коммутационными тепловыми потерями и помехоизлучениями).The disadvantages of this known device (analog) include: low power density, efficiency and reliability due to multiple conversions and the availability of a transformer node, as well as due to hard switching of electronic switches (with stepped simultaneous surges of currents and voltages with large switching heat losses and interference).

Из известных устройств наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является импульсный преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения (прототип), содержащий первую и вторую трехфазные группы внешних фазных выводов переменного тока, включая заземленные, для подключения источника электропитания с нестабильными параметрами и нагрузки с регулируемыми частотой и амплитудой и дифференциальные внешние выводы постоянного тока, включая заземленный среднепотенциальный, для подключения резервного источника электропитания постоянного тока, зашунтированные фильтровыми конденсаторами и двумя двухконденсаторными фильтровыми стойками, входной Виенна-выпрямитель с повышающим импульсным корректором коэффициента мощности на базе входных балластных дросселей и заземляющих двунаправленных электронных ключей, два двухсекционных трансреактора, соединенных друг с другом через две двухключевые электронные стойки, группы выходных фазных балластных дросселей с подключенными к ним парами двунаправленных электронных ключей и блок управления с цепями обратных связей и группами импульсно-модуляторных выводов (Патент на полезную модель №125426. Импульсный преобразователь частоты. Резников С.Б., Бочаров В.В., Харченко И.А., Ермилов Ю.В. Бюлл. №6 от 27.02.2013 г.).Of the known devices, the closest in technical essence to the proposed device is a pulse frequency converter with a DC voltage link (prototype) containing the first and second three-phase groups of external phase AC terminals, including grounded ones, for connecting a power source with unstable parameters and loads with adjustable frequency and amplitude and differential external DC terminals, including a grounded, medium-potential, for connecting a backup power source DC power supplies, shunted by filter capacitors and two two-capacitor filter racks, input Vienna rectifier with a step-up corrector of power factor based on input ballast chokes and grounding bidirectional electronic switches, two double-section transreactors connected to each other through two two-key electronic racks, groups of outputs phase ballast chokes with couples of bidirectional electronic switches connected to them and a control unit with circuits feedbacks and groups of pulse-modulatory conclusions (utility model patent №125426. Pulse frequency converter. Reznikov S.B., Bocharov V.V., Kharchenko I.A., Ermilov Yu.V. Bull №6 from 02.27.2013,).

К недостаткам описанного известного устройства (прототипа) относятся: узкие функциональные возможности из-за отсутствия обратимости преобразования электроэнергии (в частности-рекуперации электроэнергии из нагрузки в основной и в резервный источники электропитания) и неспособности питания дополнительной нагрузки переменного тока со стабилизированной амплитудой напряжения, а так же низкие удельная мощность, КПД и надежность и большие помехоизлучения из-за жесткой коммутации электронных ключей (с одновременными скачками токов и напряжений, вызывающими большие коммутационные тепловые потери).The disadvantages of the described known device (prototype) include: narrow functionality due to the lack of reversibility of the conversion of electricity (in particular, recovery of electricity from the load into the main and backup power sources) and the inability to supply additional AC load with a stabilized voltage amplitude, and same low power density, efficiency and reliability, and large interference emissions due to the hard switching of electronic switches (with simultaneous jumps in currents and for example zheny cause more commutation heat loss).

Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения обратимости преобразования электроэнергии, в частности - ее рекуперации из нагрузки в основной и в резервный источники, а также питание дополнительной нагрузки переменного тока со стабилизированной амплитудой напряжения. К дополнительным результатам относятся: повышение удельной мощности, КПД и надежности и снижение помехоизлучений за счет обеспечения «мягкой» коммутации электронных ключей с помощью использования нерассеивающих демпферно-снабберных цепочек.The main technical result of the proposal is to expand the functionality of the device by ensuring the reversibility of the conversion of electricity, in particular its recovery from the load to the primary and backup sources, as well as supplying additional AC load with a stabilized voltage amplitude. Additional results include: increase in specific power, efficiency and reliability, and reduction of noise emissions by providing "soft" switching of electronic keys using non-scattering snubber-snubber chains.

Указанные результаты обеспечиваются благодаря тому, что в импульсный преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения, содержащий первую и вторую основные группы внешних фазных выводов переменного тока для подключения источника электропитания с нестабильными параметрами и основной нагрузки с регулируемыми частотой и амплитудой напряжения, внешние дифференциальные выводы постоянных напряжений для подключения резервного источника или накопителя электроэнергии постоянного тока, фазные фильтровые конденсаторы и двухконденсаторную фильтровую стойку, входной Виенна-выпрямитель с первым корректором коэффициента мощности в виде входных балластных дросселей с первой группой заземляющих двунаправленных ключей, первый и второй трансреакторы, две двухключевые стойки, а также блок управления с цепями обратных связей и с основными группами импульсно- модуляторных выводов, во-первых ВВЕДЕНЫ выходной выпрямитель со вторым корректором коэффициента мощности в виде выходных балластных дросселей со второй группой заземляющих ключей, а также два управляемых вентиля, а блок управления СНАБЖЕН релейно-сигнальными выводами и дополнительной группой импульсно-модуляторных выводов, во-вторых, каждый из ключей, подключенных ко второму трансреактору, СНАБЖЕН обратно-блокирующим диодом, зарядно-разрядной двухдиодной стойкой и снабберным конденсатором, выходной выпрямитель СНАБЖЕН рекуператорной электронной стойкой, а блок управления СНАБЖЕН вспомогательной группой импульсно-модуляторных выводов, в-третьих, в него ВВЕДЕНЫ третья дополнительная группа внешних фазных выводов для подключения дополнительной нагрузки переменного тока со стабилизированной амплитудой напряжения и фильтр, и в-четвертых, его перечисленные узлы и элементы ВЫПОЛНЕНЫ в трехфазном варианте.These results are ensured by the fact that the pulse frequency converter with a DC voltage link, containing the first and second main groups of external phase AC terminals for connecting a power source with unstable parameters and the base load with an adjustable frequency and voltage amplitude, connecting a backup source or drive of DC electricity, phase filter capacitors and two-pole atorna filter rack, input Vienna rectifier with the first power factor corrector in the form of input ballast chokes with the first group of earthing bidirectional keys, the first and second transreactors, two two-key racks, and the control unit with feedback loops and with the main groups of pulse modulator pins Firstly, an output rectifier with a second power factor corrector has been INTRODUCED as output ballast chokes with a second group of grounding keys, as well as two controlled valves, and the control unit EQUIPMENT with relay-signal outputs and an additional group of pulse-modulator outputs, secondly, each of the keys connected to the second transreactor EQUIPPED with a back-blocking diode, charge-discharge double diode rack and snubber capacitor, output rectifier EQUIPMENT with a regenerative electronic rack , and the control unit SUPPLY by an auxiliary group of pulse-modulatory outputs, thirdly, it introduced the third additional group of external phase outputs for connecting additional Oh AC load with a stabilized voltage amplitude and filter, and fourthly, its listed nodes and elements are COMPLETED in a three-phase variant.

Экспериментальные исследования лабораторного макета и имитационно-компьютерное моделирование предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.Experimental studies of the laboratory layout and simulation-computer simulation of the proposed device confirmed its efficiency and expediency of widespread industrial use.

На чертеже (Фиг.) представлены принципиальная силовая схема и каналы управления предлагаемого импульсного преобразователя частоты со звеном постоянного напряжения.In the drawing (Fig.) Presents the basic power circuit and control channels of the proposed pulse frequency converter with a DC voltage link.

Импульсный преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения содержит: первую и вторую основные группы 1-2 и 3-4 внешних фазных выводов переменного тока, включая заземленные, для подключения источника электропитания с нестабильными параметрами и основной нагрузки с регулируемыми частотой и амплитудой напряжения, внешние дифференциальные выводы 5-6-7 постоянных напряжений, включая заземленный среднепотенциальный, для подключения резервного источника или накопителя электроэнергии постоянного тока, фазные фильтровые конденсаторы 8, 9 и двухконденсаторную фильтровую стойку 10-11, шунтирующие указанные внешние выводы, входной Виенна-выпрямитель 12 с первым повышающим импульсным корректором коэффициента мощности в виде входных балластных дросселей 13 с первой группой 14 заземляющих двухнаправленных электронных ключей. Устройство так же содержит первый и второй двухсекционные трансреакторы 15-16 и 17-18, две электронные двухключевые стойки 19-20 и 21-22, с разнонаправленными ключами, зашунтированными обратными диодами, в каждой стойке.A pulsed frequency converter with a DC link contains: the first and second main groups 1-2 and 3-4 external phase AC outputs, including grounded, for connecting a power source with unstable parameters and a base load with adjustable frequency and voltage amplitude, external differential leads 5-6-7 DC voltages, including grounded, medium-potential, for connecting a backup source or DC power storage, phase filter capacitors 8, 9 and a two-capacitor filter rack 10-11, shunting these external leads, input Vienna rectifier 12 with the first step-up impulse corrector of power factor in the form of input ballast chokes 13 with the first group of 14 grounding bi-directional electronic switches. The device also contains the first and second two-section transreactors 15-16 and 17-18, two electronic two-key racks 19-20 and 21-22, with multidirectional keys, bounded by reverse diodes, in each rack.

Помимо этого устройство содержит блок управления 23 с цепями 24, 25 обратных связей по внешним токам и напряжениям и с основными группами 26, 27 импульсно-модуляторных выводов. Устройство содержит также выходной Виенна-выпрямитель 28 со вторым повышающим импульсным корректором коэффициента мощности в виде выходных балластных дросселей 29 со второй группой 30 заземляющих двунаправленных электронных, а также два управляемых электронных вентиля 31 и 32, заземляющих крайние выводы первого трансформатора.In addition, the device contains a control unit 23 with circuits 24, 25 feedback on external currents and voltages and with the main groups 26, 27 pulse-modulator outputs. The device also contains an output Venen rectifier 28 with a second step-up impulse corrector of power factor in the form of output ballast chokes 29 with a second group of 30 grounding bidirectional electronic, as well as two controlled electronic gates 31 and 32, grounding the outer ends of the first transformer.

В блоке управления имеются также релейно-сигнальные выводы 33 и дополнительная группа 34 импульсно-управляющих выводов. Каждый из ключей двухключевых стоек, подключенный к выводу второго трансформатора, зашунтирован цепочкой из зарядного диода 35, 36, и снабберного конденсатора 37, 38. Помимо перечисленного устройства содержит третью дополнительную группу 41-42 внешних фазных выводов, включая заземленный, для подключения дополнительной нагрузки переменного тока со стабилизированной амплитудой напряжения и индуктивно-емкостный фильтр 43-44.In the control unit there are also relay-signal outputs 33 and an additional group of 34 pulse-control outputs. Each of the keys of two-key racks connected to the output of the second transformer is bridged by a chain of charging diode 35, 36, and a snubber capacitor 37, 38. In addition to the above device, it contains a third additional group 41-42 of external phase leads, including a grounded one, to connect an additional variable load current with stabilized voltage amplitude and inductive capacitive filter 43-44.

Двухключевые стойки 19-20 и 21-22 подключенные своими средними выводами к крайним выводам двухконденсаторной фильтровой стойки 10-11, а своими крайними выводами - к соответствующим выводам трансформаторов 15-16 и 17-18. Входной Виенна-выпрямитель 12 с корректором коэффициента мощности 13-14 включен между первой основной группой 1-2 внешних выводов и выводами фильтровой стойки 10-11, а выходной (28, 29, 30) - между второй основной группой 3-4 внешних выводов и выводами секций второго трансформатора 17-18, выполненного, как и первый трансформатор 15-16, в виде двух последовательно-согласно включенных секций, подключенных своими крайними выводами другого трансформатора через соответствующие двухключевые стойки 19-20 и 21-22. Общие выводы цепочек из зарядных диодов 35, 36 и снабберных конденсаторов 37, 38 подключены к соответствующим. выводам выпрямленного напряжения выходного Виенна-выпрямителя 28. Индуктивно-емкостный фильтр 43-44 включен между третьей дополнительной группой 41-42 внешних фазных выводов и выводами переменного тока входного Виенна-выпрямителя 12. Блок управления 23 своими основными группами 26 и 27 импульсно-модуляторных выводов подключен к управляющим выводам первой группы двухнаправленных ключей 14 и двухключевых стоек 19-20, 21-22, своими релейно-сигнальными выводами 33 - к управляющим выводам управляемых вентилей 31, 32, а своей дополнительной 34 импульсно-модуляторных выводов - к управляющим выводам второй группы двунаправленных ключей 30.Two-key racks 19-20 and 21-22 are connected by their average leads to the extreme leads of a two-capacitor filter stand 10-11, and their extreme leads to the corresponding leads of transformers 15-16 and 17-18. Input Vienne rectifier 12 with power factor corrector 13-14 is connected between the first main group of 1-2 external leads and the outputs of the filter rack 10-11, and the output (28, 29, 30) - between the second main group of 3-4 external leads and the conclusions of the sections of the second transformer 17-18, made, like the first transformer 15-16, in the form of two series-according to the included sections, connected by their extreme terminals of another transformer through the corresponding two-key racks 19-20 and 21-22. The common terminals of the chains of charging diodes 35, 36 and snubber capacitors 37, 38 are connected to the corresponding ones. the output rectifier output rectifier voltage 28. An inductive capacitive filter 43-44 is connected between the third additional group 41-42 external phase terminals and the AC input pins of the input Vienne rectifier 12. The control unit 23 with its main groups 26 and 27 pulse modulator leads connected to the control pins of the first group of bidirectional keys 14 and double-key racks 19-20, 21-22, with its relay-signal outputs 33 to the control pins of controlled gates 31, 32, and its additional 34 pulse-module the beaten conclusions - to the control terminals of the second group of keys 30 bidirectional.

В качестве электронных ключей двухключевых стоек 19-20 и 21-22 использованы ключевые транзисторы с внутренними или внешними обратно-шунтирующими диодами. В качестве двунаправленных электронных ключей 14 и 30 использованы, соответственно, диодно-мостовые выпрямители с шунтирующими по выходу транзисторными ключами и двухтранзисторные стойки из встречно-включенных транзисторных ключей обратно-шунтирующими диодами. В качестве управляемых вентилей 31 и 32 использованы либо обычные (однооперационные) тиристоры, либо диодно-транзисторные стойки.As electronic keys of two-key racks 19-20 and 21-22, key transistors with internal or external reverse-shunt diodes are used. As bidirectional electronic switches 14 and 30, diode-bridge rectifiers with shunting transistors on the output and two-transistor racks of counter-switched transistor switches by-shunting diodes were used, respectively. As controlled gates 31 and 32, either ordinary (single-operation) thyristors or diode-transistor racks are used.

Импульсный преобразователь частоты со звеном постоянного напряжения работает следующим образом. К первой группе 1-2 внешних фазных выводов подключают источник электропитания переменного тока, в общем случае - с нестабильными параметром (частоты и/или амплитуды), например, промышленную сеть или автономный синхронный генератор (в частности: стартер-генератор). Ко второй группе 3-4 внешних фазных выводов подключают нагрузку переменного тока с регулируемыми (в частности - стабилизированными) частотой и амплитудой напряжения, например, электродвигатель исполнительного электропривода (синхронный или асинхронный). К дифференциальным внешним выводам 5-6-7 подключают резервный источник или потребитель электропитания постоянного напряжения, например, аккумуляторную, или суперконденсаторную батарею или/и фильтровую стойку другого магистрального канала автономной системы электроснабжения постоянного напряжения с параллельно включенными звеньями постоянного напряжения.Pulse frequency converter with DC link operates as follows. The first group of 1-2 external phase terminals connect the AC power supply, in general, with an unstable parameter (frequency and / or amplitude), for example, an industrial network or an independent synchronous generator (in particular, a starter-generator). To the second group of 3-4 external phase terminals connect the AC load with adjustable (in particular - stabilized) frequency and voltage amplitude, for example, an electric actuator electric motor (synchronous or asynchronous). A backup source or consumer of a DC power supply, for example, a rechargeable battery or a super capacitor battery or / and a filter rack of another main channel of an autonomous DC power supply system with parallel-connected DC links, are connected to the differential external terminals 5-6-7.

К дополнительной третьей группе 41-42 внешних выводов подключают дополнительную нагрузку переменного тока со стабилизированной амплитудой (U₀-const), например, вычислительную или радиоэлектронную аппаратуру.An additional third group 41-42 external pins connect the additional load of alternating current with a stabilized amplitude (U ₀ -const), for example, computing or electronic equipment.

На импульсно-модуляторных выводах 26, 27 и 34 блока управления 23 формируются высокочастотные импульсы с постоянным периодом широтно-импульсной модуляции (Т_шим) и регулируемой по цепям обратных связей (24, 25) длительностью импульса: t_имп=γ⋅Т_шим, где γ - относительная длительность (коэффициент -заполнения) импульса.On the pulse-modulator outputs 26, 27 and 34 of the control unit 23, high-frequency pulses are formed with a constant period of pulse-width modulation (T _sym ) and regulated by a feedback circuit (24, 25) pulse duration: t _imp = γ-T _shim , where γ is the relative duration (coefficient of filling) of the pulse.

Рассмотрим поочередно работу четырех основных силовых функциональных узлов: 1) входного Виенна выпрямителя (12-13-14); 2) ключей 20 и 22, двухключевых стоек и выходного выпрямителя в режимах инвертирования и выпрямления; 3) ключей 19 и 21 и ветилей 31, 32 в режиме рекуперации, а также 4) узлов со снабберными конденсаторами 37, 38.Let us consider in turn the operation of four main power functional units: 1) an input Vienna rectifier (12-13-14); 2) keys 20 and 22, two-key racks and an output rectifier in the modes of inversion and rectification; 3) keys 19 and 21 and branches 31, 32 in recovery mode, as well as 4) nodes with snubber capacitors 37, 38.

1. Работа входного Виенна-выпрямителя 12 с корректором коэффициентом мощности (13-14). Этот узел выполняет одновременно три функции: а) формирование синусоидальных входных фазных токов, синхронных и синфазных с питающими фазными напряжениями для приближения коэффициента мощности к единице (с целью сохранения качества питающей электроэнергии, разгрузки источника питания и снижения тепловых потерь во входных цепях); б) стабилизация и симметрирование выпрямленных напряжений в плечах дифференциального звена постоянных напряжений на конденсаторах фильтровой стойки 10-11 и в) стабилизация амплитуды переменного напряжения на третьей группе 39-40 внешних фазных выводов - как следствие второй функции (б).1. The work of the input Vienna rectifier 12 with the offset power factor (13-14). This node simultaneously performs three functions: a) the formation of sinusoidal input phase currents, synchronous and in-phase with the supply phase voltages to approximate the power factor to unity (in order to maintain the quality of the supplying electricity, unload the power supply and reduce heat losses in the input circuits); b) stabilization and balancing of the rectified voltages in the arms of the differential link of constant voltages on the capacitors of the filter rack 10-11 and c) stabilization of the amplitude of the alternating voltage on the third group of 39-40 external phase terminals - as a result of the second function (b).

Рассмотрим интервал положительного полупериода синусоидального напряжения на фильтровом конденсаторе 8 (U₈=U_1-2>0). На произвольном периоде Т_шим ток входного балластного дросселя 13 сначала нарастает по цепи: 8-13-14-8, а затем частично (или полностью) спадает по цепи: 8-13-10-8, заряжая конденсатор 10. Далее эти процессы высокочастотно -периодически качественно повторяются в пределах положительного полупериода.Consider the interval of the positive half-cycle of a sinusoidal voltage on the filter capacitor 8 (U ₈ = U _1-2 > 0). On an arbitrary period T we _wim the input ballast choke current 13 first increases along the circuit: 8-13-14-8, and then partially (or completely) drops along the circuit: 8-13-10-8, charging the capacitor 10. Then these processes are high-frequency -periodically repeated within a positive half-period.

В интервале отрицательного полупериода (U₈<0) на произвольном периоде Т_шим ток дросселя 13 сначала нарастает по цепи: 8-14-13-8, а затем частично (или полностью) спадает по цепи: 8-11-12-13-8, заряжая конденсатор 11. Благодаря регулированию параметра γ с помощью обратных связей блока управления 23 осуществляются первые две из перечисленных выше функций. При этом диоды фазной двухдиодной стойки 12 высокочастотно коммутируются, чередуясь в соответствии с полупериодами питающего напряжения и выполняя при этом роль пассивных (неуправляемых) ключей, поочередно подводящих разнополярные трапецеидальные потенциалы крайних выводов стойки 10-11. К входному выводу фильтра 43-44, формирующему синусоидальное напряжение на выводах 41-42 со стабилизированной амплитудой.In the interval of the negative half-period (U ₈ <0) at an arbitrary period. T _wim the throttle current 13 first increases along the circuit: 8-14-13-8, and then partially (or completely) decreases along the circuit: 8-11-12-13- 8, charging the capacitor 11. Due to the regulation of the parameter γ using the feedback of the control unit 23, the first two of the above functions are performed. In this case, the diodes of the phase two-diode rack 12 are switched with high frequency, alternating in accordance with the half-periods of the supply voltage and fulfilling the role of passive (uncontrolled) keys alternately supplying bipolar trapezoidal potentials of the extreme terminals of the rack 10-11. To the input terminal of the filter 43-44, forming a sinusoidal voltage at the terminals 41-42 with stabilized amplitude.

2. Работа в режиме регулируемого полумостового ШИМ-инвертора синусоидального фазного напряжения. Рассмотрим интервал полупериода положительного напряжения: U₉=U_3-4>0. На произвольном периоде Т_шимполное потокосцепление второго трансреактора 17-18 и ток выходного балластного дросселя 29. Сначала нарастают вместе с током в цепи 10-20-17-29-9-10. Затем потокосцепление второго трансреактора 17-18 частично (или полностью) спадает вместе с током в цепи: 17-39-28-10-11-28-17, а ток дросселя 29 частично (или полностью) спадает по цепи: 29-9-30-29. Далее эти процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются в пределах данного полупериода напряжения U_3-4. На другом полупериоде этого напряжения аналогичным образом работают ключи 22, 30 и 39. При этом с помощью регулирования параметра γ блоком управления 23 формируются синусоидальные ток выходного балластного дросселя 29 и напряжения на внешних выводах 3-4.2. Work in the mode of adjustable half-bridge PWM inverter sinusoidal phase voltage. Consider the half-period of a positive voltage: U ₉ = U _3-4 > 0. At an arbitrary period T _{wim, the} total flux linkage of the second transreactor is 17–18 and the current of the output ballast choke 29. First, it increases along with the current in the circuit 10–20–17–29–9–10. Then the flux linkage of the second transreactor 17-18 partially (or completely) drops along with the current in the circuit: 17-39-28-10-11-28-17, and the choke current 29 partially (or completely) decreases along the circuit: 29-9- 30-29. Further, these processes are high-frequency-periodically qualitatively repeated within a given half-period of voltage U _3-4 . On the other half-period of this voltage, the keys 22, 30 and 39 work in the same way. By adjusting the parameter γ, the control unit 23 generates the sinusoidal current of the output ballast choke 29 and the voltage at the external terminals 3-4.

3. Работа того же узла в режиме выпрямления (рекуперации электроэнергии из основной нагрузки переменного тока в фильтровую стойку 10-11). Рассмотрим интервал первого полупериодного напряжения: U₉=U_3-4>0. На произвольном периоде Т_ШИМ ток дросселя 29 сначала нарастает по цепи: 9-29-30-9, а затем частично (или полностью) спадет по цепи: 29-39-28-10-9-29, заряжая конденсатор 10 фильтровой стойки. Далее эти процессы высокочастотно-периодически качественно повторяются в пределах данного полупериода. На втором полупериоде аналогично работают ключи 30 (левый) и 39 (нижний), заряжая конденсатор 11 фильтровой стойки.3. The work of the same node in the rectification mode (the recovery of electricity from the main load of alternating current to the filter rack 10-11). Consider the interval of the first half-period voltage: U ₉ = U _3-4 > 0. On an arbitrary period T, the _PWM current of the choke 29 first increases along the circuit: 9-29-30-9, and then partially (or completely) decreases along the circuit: 29-39-28-10-9-29, charging the capacitor 10 of the filter rack. Further, these processes are high-frequency-periodically qualitatively repeated within this half-period. On the second half-period, the keys 30 (left) and 39 (bottom) work similarly, charging the capacitor 11 of the filter rack.

При этом как и во входном Виенна-выпрямителе с помощью регулирования параметра γ блоком управления 23 формируется синусоидальный ток дросселя 29, синхронный и синфазный с переменным напряжением питания (U_3-4), т.е. обеспечивается приближение коэффициента потребляемой мощности к единицы.At the same time, as in the input Vienna rectifier, by controlling the parameter γ, the control unit 23 generates a sinusoidal current of the inductor 29, synchronous and in-phase with a variable supply voltage (U _3-4 ), i.e. provides an approximation of the ratio of power consumption to the unit.

4. Работа ключей 19 и 21 и вентилей 31, 32 в режиме рекуперации электроэнергии из фильтровой стойки 10-11 в источник электропитания (питающую сеть). Рассмотрим первый («положительный») полупериод питающего напряжения: U₈=U_1-2>0. На произвольном период Т_ШИМ полное потокосцепление первого трансреактора 15-16 сначала нарастает вместе с током в цепи: 10-19-15-8-10, а затем частично (или полностью) спадает вместе с током в цепи: 15-8-31-15. Далее эти процессы высокочастотно- периодически качественно повторяются в пределах данного полупериода напряжения: U_1-2. На втором полупериоде этого напряжения аналогично работают ключ 21 и вентиль 32 совместно с секцией 16 первого трансформатора.4. The operation of the keys 19 and 21 and the valves 31, 32 in the mode of energy recovery from the filter rack 10-11 to the power supply (supply network). Consider the first (“positive”) half-period of the supply voltage: U ₈ = U _1-2 > 0. For an arbitrary period T of _{PWM, the} total flux linkage of the first transreactor 15-16 first increases along with the current in the circuit: 10-19-15-8-10, and then partially (or completely) falls along with the current in the circuit: 15-8-31- 15. Further, these processes are high-frequency periodically qualitatively repeated within a given voltage half-period: U _1-2 . On the second half-period of this voltage, the key 21 and the valve 32 together with section 16 of the first transformer work similarly.

При этом с помощью регулирования параметра γ блок управления 23 формирует синусоидальный ток рекупераций электроэнергии в источник электропитания (питающую сеть) с коэффициентом мощности близким к 1.In this case, by controlling the parameter γ, the control unit 23 generates a sinusoidal current for the recovery of electricity into the power supply (supply network) with a power factor close to 1.

5. Работа узлов со снабберными конденсаторами 37. 38 и рекуператорной (разрядной) двухключевой стойкой 39. Перед произвольным включением ключа 20 снабберный конденсатор 37 заряжен по цепи: 10-блокирующий диод ключа 20-37-левый диод зарядно-разрядной стойки 35-17-29-9-10. При очередном включении ключа 20 ток относительно плавно нарастает благодаря индуктивности секции 17 второго трансреактора ("мягкое" включение). При этом снабберный конденсатор 37 относительно быстро колебательно полностью разряжается по цепи одновременно включаемого верхнего ключа рекуператорной стойки 39: 37-20-39 правый диод 35-37, после чего ток секции 17 закорачивается на цепь: 17-39-35-17 вплоть до момента выключения ключа 39, соответствующего максимуму тока. После выключения последнего указанный ток (несколько спавший ниже максимума) переключается в цепь рекуперации остаточной электромагнитной энергии трансреактора в фильтровую стойку: 17-30-11-28-17. К моменту выключения ключа 20 напряжение снабберного конденсатора 37 равно нулю, т.е. напряжение на ключе после его выключения плавно нарастает вместе с зарядкой конденсатора ("мягкое" выключение).5. Operation of nodes with snubber capacitors 37. 38 and a recuperator (discharge) two-key rack 39. Before arbitrarily turning on the key 20, the snubber capacitor 37 is charged in a circuit: a 10-blocking diode of the key 20-37 is the left-hand diode of the charge-discharge rack 35-17- 29-9-10. The next time you turn on the key 20, the current relatively smoothly increases due to the inductance of the section 17 of the second transreactor ("soft" inclusion). At the same time, snubber capacitor 37 is relatively rapidly oscillatingly discharging along the circuit of the simultaneously switched on upper key of the recovery rack 39: 37-20-39 right diode 35-37, after which the current of section 17 is short-circuited to the circuit: 17-39-35-17 up to off key 39 corresponding to the maximum current. After the latter is turned off, the indicated current (somewhat lower than the maximum) switches to the recovery circuit of the residual electromagnetic energy of the transreactor in the filter rack: 17-30-11-28-17. By the time the key 20 is turned off, the voltage of the snubber capacitor 37 is zero, i.e. the voltage on the key after it is turned off gradually increases with the charging of the capacitor ("soft" off).

Благодаря наличию "нерассеивающей" демпферно-снабберной цепочки (17-37) реализуется "мягкая" коммутация ключа 20 в режиме инвертирования (наиболее напряженного по мощности преобразования).Due to the presence of a “non-dissipative” damper-snibber chain (17-37), soft switching of the key 20 is implemented in the inverting mode (the most intense in terms of the power of conversion).

Таким образом, в предложенном устройстве по сравнению с прототипом обеспечиваются основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения обратимости преобразования электроэнергии всех основных каскадов, в частности -рекуперации электроэнергии из нагрузки в основной и в резервный источники электропитания, и за счет питания дополнительной нагрузки переменного тока со стабилизированной амплитудой напряжения, а также дополнительные технические результаты: повышение удельной мощности, КПД и надежности при одновременном снижении помехоизлучений устройства за счет обеспечения "мягкой" коммутации электронных ключей (без скачков рассеиваемой мощности) с помощью использования нерассеивающих демпферно-снабберных цепочек.Thus, in the proposed device, compared with the prototype, the main technical result is provided: expanding the functionality of the device by ensuring the reversibility of the electric power conversion of all the main stages, in particular - electricity recovery from the load into the main and backup power sources, and by supplying additional load alternating current with stabilized voltage amplitude, as well as additional technical results: increase in specific power, K D and reliability while reducing pomehoizlucheny device by providing a "soft" switching of the electronic switches (no jumps power dissipation) by the use of snubber-damper nonscattering chains.

Claims

1. Pulse frequency converter with DC link, containing the first and second main groups of external phase AC outputs, including grounded, for connecting a power source with unstable parameters and the main load with adjustable frequency and voltage amplitude, external differential DC outputs, including grounded medium potential for connecting a backup source of DC power, phase filter capacitors and two-capacitor filter rack, shunting these external pins, input Vienna rectifier with the first step-up impulse corrector power factor in the form of input ballast chokes with the first group of earthing bidirectional switches connected between the first main group of external terminals and the conclusions of the filter rack, the first and second two-section transreactors, two electronic two-key racks and multidirectional keys with successive back-blocking diodes in each rack, as well as a control unit with circuits by external currents and voltages and with the main groups of pulsed modulator pins connected to the control pins of the input Vienne rectifier keys connected by their average pins to the corresponding extreme pins of the filter rack, and their extreme pins to the corresponding pins of transreactors that differ that the output rectifier with the second step-up impulse corrector of the power factor is introduced into it in the form of output ballast chokes with the second group of grounding bidirectionals electronic switches, as well as two controlled electronic gates, grounding the extreme terminals of the first transreactor, and the control unit is equipped with relay-signal outputs connected to the control terminals of the said gates, and an additional group of pulse-modulator terminals connected to the control terminals of the output rectifier keys included between the second main group of external phase terminals and the terminals of the sections of the second transreactor, performed, like the first transreactor, in the form of two series-consistent included sections that are connected by their extreme terminals similar conclusions transreaktora another via corresponding two-key rack.

2. A pulsed frequency converter with a DC voltage link according to claim 1, characterized in that each of the keys of two-key racks connected to the terminals of the second transreactor is equipped in series with an included back-blocking diode, a charge-discharge double-diode rack and a shunting snubber capacitor, the output rectifier is equipped with a double-key recuperator electronic rack, the middle output of which is connected directly to the middle output of the second transreactor and through the output ballast choke to ungrounded external phase output of their second main group, and the extreme terminals of which are connected to the free extreme terminals of the corresponding charge-discharge dual-diode racks and the corresponding terminals of the rectified voltage of the output rectifier, and the control unit is equipped with an auxiliary group of pulse-modulator terminals connected to the control terminals of the electronic rack .

3. A pulsed frequency converter with a DC voltage link in accordance with claim 1, characterized in that it introduces a third additional group of external phase leads, including a grounded one, to connect an additional AC load with a stabilized voltage amplitude and an inductive-capacitive filter connected between these pins and pins of an alternating current input vienna rectifier.

4. Pulse frequency converter with a DC voltage link according to claim 1, characterized in that its listed units and elements are made in a three-phase version with a common filter rack and common grounded leads.