RU2051468C1

RU2051468C1 - Ac-to-dc converter

Info

Publication number: RU2051468C1
Authority: RU
Inventors: К. Янсон; Я.Я. Ярвик
Original assignee: Янсон Куно; Ярвик Яан Яанович
Priority date: 1989-03-13
Filing date: 1989-03-13
Publication date: 1995-12-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: converter has transformer 11 and rectifier 1 built around valves 2-7 connected into three-phase bridge circuit. Extreme leads of winding 13 are connected, respectively, through choke coil 9 and capacitor 8 to first and second diagonally opposite pairs of a. c. terminals of rectifier 1 and common point of connection of two windings, through choke coil 10 to third diagonally opposite pair of terminals of rectifier 1. Parameters of hardware components can be selected in combination affording reduced reactive component in input current and reduced supply voltage fluctuations due to use of additional choke coil 10 inserted into third diagonally opposite pair of a.c. terminals of rectifier 1; increased inductance of current paths crossing capacitor 8 reduces content of higher harmonics in input current. EFFECT: improved waveform of input current curve. 4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике и предназначено для питания от источника переменного тока потребителей, которым свойственен режим эксплуатационного короткого замыкания. The invention relates to electrical engineering, in particular to converting technology, and is intended to be powered by an alternating current source of consumers, which are characterized by an operational short circuit mode.

Цель изобретения улучшение формы кривой потребляемого из сети тока. The purpose of the invention is improving the shape of the curve consumed from the current network.

На фиг. 1 представлена схема однофазного преобразователя; на фиг. 2 векторная диаграмма для режима больших токов нагрузки; на фиг. 3 схема трехфазного преобразователя для низковольтных потребителей; на фиг. 4 то же, для высоковольтных потребителей; на фиг. 5 характеристики работы преобразователя при стабилизации выходного тока в области номинального режима. In FIG. 1 shows a diagram of a single phase converter; in FIG. 2 vector diagram for the regime of high load currents; in FIG. 3 diagram of a three-phase converter for low-voltage consumers; in FIG. 4 the same for high-voltage consumers; in FIG. 5 characteristics of the operation of the converter during stabilization of the output current in the region of the nominal mode.

Преобразователь (фиг. 1) содержит трехфазный выпрямительный мост 1, включающий вентили 2 7, конденсатор 8, основной и дополнительный дроссели 9, 10 и согласующий трансформатор 11, включающий первичную обмотку 12 и вторичную обмотку 13, которую ответвление разделяет на частичные обмотки 14 и 15. К выходу выпрямительного моста 1 подключен потребитель 16, к обмотке 12 однофазный источник 17 питания. Ответвление обмотки 13 соединено с одним входом моста 1 через дополнительный дроссель 10, а начало и конец обмотки 13 соединены с остальными входами моста 1 через конденсатор 8 и основной дроссель 9. The converter (Fig. 1) contains a three-phase rectifier bridge 1, including valves 2 7, a capacitor 8, a primary and secondary chokes 9, 10 and a matching transformer 11, including a primary winding 12 and a secondary winding 13, which the branch divides into partial windings 14 and 15 A consumer 16 is connected to the output of the rectifier bridge 1, and a single-phase power source 17 is connected to the winding 12. The branch of the winding 13 is connected to one input of the bridge 1 through an additional inductor 10, and the beginning and end of the winding 13 is connected to the remaining inputs of the bridge 1 through a capacitor 8 and the main inductor 9.

Преобразователь работает следующим образом. The converter operates as follows.

От однофазного источника 17 питания через трансформатор 11 подается питание на вентили 2 и 5 через дроссель 9, на вентили 4 и 7 через конденсатор 8, на вентили 6 и 3 через дополнительный дроссель 10. From a single-phase power source 17 through a transformer 11, power is supplied to the valves 2 and 5 through the inductor 9, to the valves 4 and 7 through the capacitor 8, to the valves 6 and 3 through an additional inductor 10.

Сопротивление потребителя 16 изменяется в ходе работы от нуля (короткое замыкание) до бесконечности (обрыв цепи). С изменением сопротивления потребителя 16 существенно изменяется работа всего выпрямителя. Поэтому работу преобразователя необходимо рассмотреть по трем отдельным режимам: I работа при больших токах нагрузки и при коротком замыкании; II работа в номинальном режиме и около него; III работа на малых токах нагрузки около холостого хода. The resistance of the consumer 16 changes during operation from zero (short circuit) to infinity (open circuit). With a change in the resistance of the consumer 16, the operation of the entire rectifier changes significantly. Therefore, the operation of the converter must be considered in three separate modes: I work at high load currents and with a short circuit; II work in the nominal mode and around it; III work at low load currents near idle.

Свойства преобразователя объясняются тем, что выпрямительный мост 1 действует коммутатором, который в зависимости от величины нагрузки образует из реактивных элементов разные контуры тока. Возможно образование следующих шести контуров тока:
1) обмотка 14 дроссель 9 вентиль 2 нагрузка 16 вентиль 3 дроссель 10 обмотка 14;
2) обмотка 15 конденсатор 8 вентиль 4 нагрузка 16 вентиль 3 дроссель 10 обмотка 15;
3) обмотка 15 конденсатор 8 вентиль 4 нагрузка 16 вентиль 5 дроссель 9 обмотка 14 обмотка 15;
4) дроссель 9 обмотка 14 дроссель 10 вентиль 6 нагрузка 16 вентиль 5 дроссель 9;
5) конденсатор 8 обмотка 15 дроссель 10 вентиль 6 нагрузка 16 вентиль 7 конденсатор 8;
6) обмотка 14 дроссель 9 вентиль 2 нагрузка 16 вентиль 7 конденсатор 8 обмотка 15 обмотка 14.The properties of the converter are explained by the fact that the rectifier bridge 1 acts as a switch, which, depending on the magnitude of the load, forms different current circuits from the reactive elements. The formation of the following six current loops is possible:
1) winding 14 inductor 9 valve 2 load 16 valve 3 inductor 10 winding 14;
2) winding 15 capacitor 8 valve 4 load 16 valve 3 inductor 10 winding 15;
3) winding 15 capacitor 8 valve 4 load 16 valve 5 inductor 9 winding 14 winding 15;
4) inductor 9 winding 14 inductor 10 valve 6 load 16 valve 5 inductor 9;
5) capacitor 8 winding 15 inductor 10 valve 6 load 16 valve 7 capacitor 8;
6) winding 14 inductor 9 valve 2 load 16 valve 7 capacitor 8 winding 15 winding 14.

В контурах 1 и 4 нагрузка получает питание через индуктивность, которая состоит из последовательно включенных дросселей 9 и 10; в контурах 2 и 5 через последовательно включенные емкость и индуктивность дополнительного дросселя 10. При этом питающее напряжение подается в эти контуры только одной части вторичной обмотки (от обмотки 14 или от обмотки 15). In circuits 1 and 4, the load receives power through an inductance, which consists of series-connected chokes 9 and 10; in circuits 2 and 5 through the series-connected capacitance and inductance of the additional inductor 10. In this case, the supply voltage is supplied to these circuits of only one part of the secondary winding (from winding 14 or from winding 15).

В контурах 3 и 6 нагрузка получает полное напряжение вторичной обмотки 13 через последовательно соединенные емкость и индуктивность основного дросселя 9. В этих трех парах контуров один контур (например 1) существует в одном полупериоде, а второй (например 4) во втором полупериоде. Состав, очередность и длительность приведенных контуров тока зависит от режима работы. In circuits 3 and 6, the load receives the full voltage of the secondary winding 13 through the capacitance and inductance of the main inductor 9 connected in series 9. In these three pairs of circuits, one circuit (e.g. 1) exists in one half-cycle and the second (e.g. 4) in the second half-cycle. The composition, sequence and duration of the given current loops depends on the operating mode.

При работе в первом режиме в одном полупериоде имеются контуры 1 и 2 тока, а во втором полупериоде контуры 4 и 5 тока. Контуров 3 и 6 практически не образуется. Токи и напряжения в схеме до выпрямительного моста в первом режиме приблизительно синусоидальные, благодаря чему здесь можно пользоваться векторной диаграммой (фиг. 2). Индексы векторов токов, напряжений и ЭДС соответствуют обозначениям элементов на фиг. 1. Напряжения на входе выпрямительного моста обозначены

,

и

. Падения напряжения на сопротивлениях эквивалентной индуктивности рассеяния обмоток 14 и 15 обозначены через

и

соответственно. Векторная диаграмма построена относительно ответвления обмотки 13 трансформатора. В этом случае при переходе от вторичной цепи к первичной векторы тока и напряжения обмотки 14 не изменяют своего направления, а те же векторы обмотки 15 изменяют свое направление на противоположное. Токи вторичной обмотки

и

, отнесенные к первичной обмотке обозначены

и

. Реактивные сопротивления дросселей 9 и 10 и конденсатора 8 выбраны при соблюдении условий
X_C X_L + X_S,
X_LД= (X_L+X_SL)·

, где X_C емкостное сопротивление конденсатора 8;
X_L индуктивное сопротивление дросселя 9;
X_S сопротивление индуктивности рассеяния между обмотками 12 и 13 трансформатора 11;
X_LД индуктивное сопротивление дополнительного дросселя 10;
X_SL эквивалентное сопротивление индуктивности рассеяния обмотки 14 трансформатора;
К коэффициент трансформации между частями вторичной обмотки, равный соотношению W₁₄/W₁₅, где W₁₄, W₁₅ числа витков обмоток 14 и 15 соответственно.When operating in the first mode, in one half-cycle there are

current circuits

1 and 2, and in the second half-cycle there are current circuits 4 and 5. Circuits 3 and 6 are practically not formed. The currents and voltages in the circuit to the rectifier bridge in the first mode are approximately sinusoidal, so that you can use the vector diagram here (Fig. 2). The indices of the vectors of currents, voltages, and EMF correspond to the designations of the elements in FIG. 1. The voltage at the input of the rectifier bridge is indicated

,

and

. The voltage drop across the resistance of the equivalent leakage inductance of the windings 14 and 15 are denoted by

and

respectively. A vector diagram is plotted relative to the branch of the transformer winding 13. In this case, when switching from the secondary circuit to the primary, the current and voltage vectors of the winding 14 do not change their direction, and the same winding 15 vectors change their direction to the opposite. Secondary currents

and

assigned to the primary winding are indicated

and

. The reactance of the chokes 9 and 10 and the capacitor 8 are selected subject to the conditions
X _C X _L + X _S ,
X _LD = (X _L + X _SL )

where X _C capacitance of the capacitor 8;
X _L inductance of the inductor 9;
X _{S the} resistance of the leakage inductance between the windings 12 and 13 of the transformer 11;
X _{LD the} inductance of the additional inductor 10;
X _SL equivalent to the leakage inductance of the transformer winding 14;
To the transformation coefficient between the parts of the secondary winding, equal to the ratio of W ₁₄ / W ₁₅ , where W ₁₄ , W _{15 the} number of turns of the windings 14 and 15, respectively.

Соблюдение вышеприведенных условий обеспечивает приблизительный баланс реактивных мощностей в режиме короткого замыкания, т.е. реактивная мощность конденсатора 8 равна сумме реактивных мощностей дросселей 9 и 10 и полей рассеяния трансформатора 11. При этом ток в первичной обмотке 12 трансформатора 11 небольшой (при идеальных элементах равен нулю). Из векторной диаграммы видно, что в режиме короткого замыкания напряжение на дополнительном дросселе

вызывает увеличение напряжения конденсатора

и уменьшение напряжения основного дросселя

. Чтобы это явление не нарушало бы баланса реактивных мощностей, число витков обмотки 14 увеличено, а обмотки 15 уменьшено (это осуществляется путем выбора коэффициента К в приведенных выражениях).Compliance with the above conditions provides an approximate balance of reactive power in short circuit mode, i.e. the reactive power of the capacitor 8 is equal to the sum of the reactive powers of the chokes 9 and 10 and the dissipation fields of the transformer 11. In this case, the current in the primary winding 12 of the transformer 11 is small (equal to zero with ideal elements). From the vector diagram it is seen that in the short circuit mode the voltage at the additional inductor

causes an increase in capacitor voltage

and reducing the voltage of the main inductor

. To prevent this phenomenon from disturbing the balance of reactive powers, the number of turns of the winding 14 is increased, and the windings 15 are reduced (this is done by choosing the coefficient K in the above expressions).

При работе в третьем режиме в одном полупериоде имеется контур 3 тока, во втором полупериоде контур 6 тока. Дополнительный дроссель 10 в этих контурах отсутствует и на работу преобразователя не влияет. When working in the third mode, in one half-cycle there is a current loop 3, in the second half-cycle there is a current loop 6. Additional throttle 10 in these circuits is absent and does not affect the operation of the converter.

Во втором режиме каждый полупериод подразделяется на 4 интервала с разными контурами тока. Контуры тока в интервалах следующие: в первом интервале контуры 1 и 2 (4 и 5); во втором интервале контуры 2 и 3 (5 и 6); в третьем интервале контур 3 (6); в четвертом интервале контуры 3 и 4 (6 и 1). In the second mode, each half-cycle is divided into 4 intervals with different current loops. The current circuits in the intervals are as follows: in the first interval, circuits 1 and 2 (4 and 5); in the second interval, loops 2 and 3 (5 and 6); in the third interval, loop 3 (6); in the fourth interval, loops 3 and 4 (6 and 1).

В скобках даны контуры для второго полупериода. Первый интервал получается при переходе питающего напряжения через нуль. Контуры тока первого интервала второго режима соответствуют контурам первого режима, контуры третьего интервала второго режима соответствуют контурам третьего режима. Это значит, что во втором режиме в одном полупериоде иногда имеется параллельное включение дросселя 9 и конденсатора 8, как в первом режиме, и последовательное включение, как в третьем режиме. In parentheses are the contours for the second half-cycle. The first interval is obtained when the supply voltage passes through zero. The current contours of the first interval of the second mode correspond to the contours of the first mode, the contours of the third interval of the second mode correspond to the contours of the third mode. This means that in the second mode in one half-cycle there is sometimes a parallel connection of the inductor 9 and the capacitor 8, as in the first mode, and a series connection, as in the third mode.

Переключение контуров тока вызывает на элементах схемы скачкообразное изменение напряжения, что в свою очередь искажает синусоидальность тока, который проходит через эти элементы. Скачки напряжения искажают ток тем больше, чем меньше индуктивность в этом контуре тока. Наименьшую индуктивность имеют контуры тока 2 и 5, которые проходят через конденсатор 8. Наличие в предлагаемом устройстве дополнительного дросселя 10 увеличивает индуктивность в этих контурах и тем самым снижает уровень высших гармоник в потребляемом токе. Switching current circuits causes an abrupt voltage change on the circuit elements, which in turn distorts the sinusoidality of the current that passes through these elements. The voltage jumps distort the current the more, the less the inductance in this current loop. The lowest inductance are current circuits 2 and 5, which pass through the capacitor 8. The presence of an additional inductor 10 in the proposed device increases the inductance in these circuits and thereby reduces the level of higher harmonics in the current consumption.

В трехфазных преобразователях (фиг. 3 и 4) целесообразно выбирать индуктивность дополнительного дросселя 10 таким, что собственная резонансная частота контуров 2 и 5 была бы равной или несколько ниже частоты третьей гармоники тока (150 Гц). В этом случае скачки напряжения формируют в контурах 2 и 5 колебания тока с частотой третьей гармоники и в первичной обмотке 12 трансформатора третья гармоника тока увеличивается, а остальные гармоники уменьшаются. В трехфазных схемах, где первичные обмотки 12 трех фаз включены в треугольник, происходит взаимокомпенсация третьей гармоники, вследствие чего в потребляемом из сети токе третья гармоника практически отсутствует. Таким путем можно достигнуть того, что во всех режимах работы (от короткого замыкания до холостого хода) 5-я гармоника не выше 7% 7-я гармоника не выше 4% и остальные гармоники не выше 2% от первой гармоники номинального режима. В номинальном режиме содержание высших гармоник в потребляемом токе еще несколько ниже, коэффициент несинусоидальности составляет 6 7%
При необходимости стабилизирования выходного тока преобразователя дроссели 9 и 10 выполняют магнитно-связанными. Направление включения обмоток этих дросселей выбрано таким (фиг. 1), что взаимоиндукция увеличивает суммарную индуктивность в контурах 1 и 4. В первом режиме дроссель 10 нагружен током, который вызывает увеличение напряжения на дросселе 9. Это явление можно также трактовать как увеличение реактивного сопротивления дросселя 9 в этом режиме. В третьем режиме ток через дроссель 10 не проходит и падение напряжения на дросселе 9 вызвано только его собственным индуктивным сопротивлением. Таким образом, при переходе из I режима в III режим, т.е. в II режиме, реактивное сопротивление дросселя 9 падает. Это явление вызывает при увеличении сопротивления нагрузки увеличение тока I₉ через дроссель 9 (фиг. 5), а также увеличение потребляемого тока I₁₂ из сети в такой степени, что ток I₁₆ в нагрузке в этой части характеристики мало изменяется. Остальные токи на фиг. 5 обозначены соответственно номером элементов на фиг. 1.In three-phase converters (Fig. 3 and 4) it is advisable to choose the inductance of the additional inductor 10 so that the natural resonant frequency of the circuits 2 and 5 would be equal to or slightly lower than the frequency of the third harmonic current (150 Hz). In this case, voltage surges form current fluctuations with the third harmonic frequency in loops 2 and 5 and in the primary winding 12 of the transformer the third harmonic of the current increases and the remaining harmonics decrease. In three-phase circuits, where the primary windings of the three three phases are included in the triangle, the third harmonic is compensated, as a result of which the third harmonic is practically absent in the current drawn from the network. In this way, it is possible to achieve that in all operating modes (from short circuit to idle) the 5th harmonic is not higher than 7%; the 7th harmonic is not higher than 4% and the remaining harmonics are not higher than 2% of the first harmonic of the nominal mode. In the nominal mode, the content of higher harmonics in the consumed current is even lower, the coefficient of non-sinusoidality is 6 7%
If it is necessary to stabilize the output current of the converter, the inductors 9 and 10 are magnetically coupled. The direction of switching on the windings of these reactors is chosen in such a way (Fig. 1) that mutual induction increases the total inductance in circuits 1 and 4. In the first mode, the inductor 10 is loaded with current, which causes an increase in voltage across the inductor 9. This phenomenon can also be interpreted as an increase in reactance of the inductor. 9 in this mode. In the third mode, the current does not pass through the inductor 10 and the voltage drop across the inductor 9 is caused only by its own inductive resistance. Thus, when switching from mode I to mode III, i.e. in II mode, the reactance of the inductor 9 drops. When the load resistance increases, this phenomenon causes an increase in the current I ₉ through the inductor 9 (Fig. 5), as well as an increase in the consumed current I ₁₂ from the network to such an extent that the current I ₁₆ in the load changes little in this part of the characteristic. The remaining currents in FIG. 5 are indicated respectively by the number of elements in FIG. 1.

Эффект стабилизации тока возникает, если коэффициент связи между дросселями 9 и 10 довольно большой (0,8 0,9) и если число витков дополнительного дросселя 10 составляет 40 80% от числа витков основного дросселя 9 (в случае применения для дросселей общего магнитопровода). Диапазон стабилизации выходного тока примерно ± 20% от номинального напряжения (при отклонении тока ± 3%). The current stabilization effect occurs if the coupling coefficient between the chokes 9 and 10 is quite large (0.8 0.9) and if the number of turns of the additional choke 10 is 40 to 80% of the number of turns of the main choke 9 (if a common magnetic circuit is used for chokes). The stabilization range of the output current is approximately ± 20% of the rated voltage (with a current deviation of ± 3%).

Claims

1. AC to DC Converter, containing a rectifier assembled on the valves according to a three-phase bridge circuit, the DC diagonal of which is connected to the output terminals, the first diagonal of the alternating current is connected to one capacitor plate, the second diagonal is connected via the inductor, and the third is directly connected to the output terminals for connecting a single-phase AC source, located on the magnetic circuit and connected to the output terminals, two series-connected windings with two extreme the outputs are connected respectively to the inductor and the second capacitor plate, their common connection point to the third diagonal of the alternating current, characterized in that the indicated common connection point of the two windings is connected to the indicated third diagonal of the rectifier current through the additionally introduced inductor.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that, in order to stabilize the output current, the additional inductor and the main inductor are magnetically coupled.

3. The converter according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that the primary and secondary chokes are made on a common magnetic circuit.

4. The Converter according to claims 1 and 2, characterized in that the chokes are made in the form of coils with an air core, and the main coil is made covering additional.