RU2122274C1

RU2122274C1 - Three-phase voltage regulator

Info

Publication number: RU2122274C1
Application number: RU97109455A
Authority: RU
Inventors: Г.С. Зиновьев
Original assignee: Новосибирский государственный технический университет
Priority date: 1997-06-04
Filing date: 1997-06-04
Publication date: 1998-11-20

Abstract

FIELD: no-break power supplies ensuring steady rated output voltage in case of input voltage drop below rated value; voltage-controlled drives. SUBSTANCE: each phase of regulator has series- connected LC filter with chokes 1 and capacitors 2, input switch with fully controlled valves 3 and diodes 4, output filter built up of chokes 5, and loads 6; regulator also has storage chokes 7 and storage capacitors 8, three-phase bridge rectifier built around diodes 9-14, and output switch 15 in the form of fully controlled valve. EFFECT: enlarged functional capabilities; reduced number of controlled valves. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области полупроводниковой преобразовательной техники и может быть использовано для получения регулируемого и стабилизированного трехфазного переменного напряжения при питании от источника с нерегулируемым и с нестабилизированным трехфазным напряжением, причем выходное напряжение регулятора может быть как меньше, так и больше входного напряжения. Такой регулятор может быть использован и как стабилизатор трехфазного переменного напряжения, и как бестрансформаторное устройство повышения переменного напряжения, и как регулируемый источник стабильного переменного напряжения при нестабильном входном напряжении для различных потребителей (выпрямители, асинхронные двигатели и т.д.). The invention relates to the field of semiconductor converting technology and can be used to obtain regulated and stabilized three-phase alternating voltage when powered from a source with unregulated and unstabilized three-phase voltage, and the output voltage of the regulator can be either less or more than the input voltage. Such a regulator can be used both as a three-phase AC voltage stabilizer, and as a transformerless device for increasing AC voltage, and as an adjustable source of stable AC voltage with unstable input voltage for various consumers (rectifiers, induction motors, etc.).

Известен регулятор трехфазного напряжения, содержащий в каждой фазе два встречно-параллельно включенных тиристора (Энергетическая электроника. Справочное пособие. М.: Энергия, 1987, с.148, рис. 3.56). Known three-phase voltage regulator containing in each phase two counter-parallel connected thyristors (Power electronics. Reference manual. M: Energy, 1987, p.148, Fig. 3.56).

Однако указанный регулятор характеризуется ухудшением качества выходного напряжения при его регулировании, ухудшением качества входного тока при регулировании выходного напряжения, неспособностью получения на выходе напряжения, большего, чем на входе. However, this regulator is characterized by a deterioration in the quality of the output voltage when it is regulated, a deterioration in the quality of the input current when regulating the output voltage, and the inability to obtain a voltage greater than the input voltage at the output.

Кроме того, известен регулятор трехфазного переменного напряжения (G. Venkataramanan, B.K. Johnson, A. Sundaram An AC-AC Power Converter for Custom Power Applications, IEEE Transactions on Power Delivery, V. 11, N 3, 1996, P. 1666-1671), являющийся прототипом предлагаемого изобретения. Регулятор содержит в каждой фазе последовательно включенные (по отношению к источнику входного напряжения) входной LC-фильтр, входной ключ, выходной LC-фильтр, а между точками соединения входного ключа и выходного фильтра подключены одними концами выходные ключи, вторые концы которых в каждой фазе соединены вместе, при этом входные и выходные ключи образованы встречно параллельным соединением транзистора и диода. In addition, a three-phase AC voltage regulator is known (G. Venkataramanan, BK Johnson, A. Sundaram An AC-AC Power Converter for Custom Power Applications, IEEE Transactions on Power Delivery, V. 11, No. 3, 1996, P. 1666-1671 ), which is the prototype of the invention. The regulator contains in each phase an input LC filter, an input key, an output LC filter, sequentially connected (with respect to the input voltage source), and output keys are connected between the connection points of the input key and the output filter, the second ends of which are connected in each phase together, while the input and output keys are formed counter-parallel connection of the transistor and the diode.

Однако указанный регулятор имеет ограниченные функциональные возможности, так как обеспечивает регулирование выходного напряжения только в сторону уменьшения от значения входного напряжения, и не способен обеспечить получение на выходе напряжения, большего, чем на входе. Также он достаточно сложен, так как содержит шесть ключей. However, this regulator has limited functionality, as it provides regulation of the output voltage only in the direction of decreasing from the value of the input voltage, and is not able to ensure that the output voltage is greater than the input. It is also quite complicated, as it contains six keys.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание регулятора трехфазного напряжения с более широкими функциональными возможностями, то есть способного регулировать напряжение на выходе как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения от уровня входного напряжения, при этом сократив число управляемых ключей регулятора. The analysis of the prior art indicates that the object of the invention is to create a three-phase voltage regulator with wider functionality, that is, capable of regulating the output voltage both towards decreasing and increasing from the input voltage level, while reducing the number of keys controlled regulator.

Это достигается тем, что в известном регуляторе трехфазного напряжения, содержащем в каждой фазе последовательно включенные входной LC-фильтр, входной ключ, выполненный в виде встречно-параллельного соединения вентиля с полным управлением и диода, дроссель выходного фильтра, нагрузку, а также выходной ключ, подключенный к точке соединения входного ключа и дросселя выходного фильтра, введены в каждую фазу накопительные дроссели, соединенные в звезду или треугольник и включенные между точками соединения входного ключа и дросселя выходного фильтра, введены также накопительные конденсаторы, включенные параллельно цепям, образованным последовательным включением дросселя выходного фильтра и нагрузки каждой фазы, а выходной ключ выполнен на вентиле с полным управлением и подключен к выходу трехфазной мостовой схемы выпрямления на диодах, при этом входы трехфазной мостовой схемы подключены к вторым конца нагрузок каждой фазы. This is achieved by the fact that in the well-known three-phase voltage regulator, containing in each phase in series an input LC filter, an input key made in the form of a counter-parallel connection of a valve with full control and a diode, an output filter choke, a load, and an output switch, connected to the connection point of the input key and the output filter choke, storage chokes are introduced into each phase, connected to a star or delta and connected between the connection points of the input key and the output choke about the filter, storage capacitors are also introduced, connected in parallel to the circuits formed by the series connection of the output filter inductor and the load of each phase, and the output switch is made on the valve with full control and connected to the output of the three-phase bridge rectification circuit on the diodes, while the inputs of the three-phase bridge circuit are connected to the second end of the loads of each phase.

На фиг. 1 приведена блок-схема предложенного регулятора трехфазного напряжения. На фиг. 2 приведены временные диаграммы токов и напряжений в различных частях предлагаемого регулятора. In FIG. 1 shows a block diagram of the proposed three-phase voltage regulator. In FIG. 2 shows time diagrams of currents and voltages in various parts of the proposed controller.

Предлагаемый регулятор трехфазного напряжения с входными зажимами A, B, C содержит в каждой фазе последовательно включенные входной LC-фильтр из дросселей 1 и конденсаторов 2, соединенных в звезду, входной ключ, образованный встречно-параллельным соединением вентиля с полным управлением 3, например, в виде транзистора, и диод 4, дроссели 5 выходного фильтра, нагрузку 6, а также накопительные дроссели 7, соединенные в звезду или треугольник и включенные между точками соединения входного ключа и дросселя выходного фильтра, накопительные конденсаторы 8, включенные параллельно цепям, образованным последовательным включением дросселя выходного фильтра и нагрузки, а также трехфазную мостовую схему выпрямления на диодах 9-14, подключенную своими входами к вторым концам нагрузок каждой фазы, а к выходу которой подключен выходной ключ 15 в виде вентиля с полным управлением, например, транзистора. The proposed three-phase voltage regulator with input terminals A, B, C contains in each phase a series-connected input LC filter from inductors 1 and capacitors 2 connected to a star, an input key formed by a counter-parallel connection of a valve with full control 3, for example, in the form of a transistor, and diode 4, output filter chokes 5, load 6, and storage chokes 7 connected to a star or delta and connected between the connection points of the input key and the output filter choke, storage condensation Ora 8, connected in parallel to the chains formed by the series connection of the output filter choke and the load, as well as a three-phase bridge rectification circuit on diodes 9-14, connected by its inputs to the second ends of the loads of each phase, and the output of which is connected to the output switch 15 in the form of a valve with full control, for example, a transistor.

Регулятор трехфазного напряжения работает следующим образом. Период коммутации по высокой частоте, определяемый частотными возможностями вентилей с полным управлением (сотни герц для запираемых тиристоров, килогерцы или десятки килогерц - для транзисторов), состоит из двух подинтервалов. На первом подинтервале T₁ вентили с полным управлением входных ключей, выполненные, для конкретности описания здесь, на транзисторах 3, получают сигналы управления на включение, как показано на фиг. 2а. Сигналы на включение вентиля с полным управлением выходного ключа 15, представленные на фиг. 2б, на этом подинтервале отсутствуют и выходной ключ 15 заперт (разомкнут). Под действием входных ЭДС, приложенных к входным зажимам A, B, C регулятора и изображенных на фиг. 2в, в накопительных дросселях 7 нарастают токи, как это показано на фиг. 2г для тока дросселя 7 фазы A. Идет процесс запасания энергии в этих дросселях. Нагрузка 6 каждой фазы при этом получает питание от накопительных конденсаторов 7 соответствующих фаз, напряжение на конденсаторе фазы A показана на фиг. 2д. Напряжение на нагрузке фазы A приведено на фиг. 2е. Диаграммы получены математическим моделированием регулятора на ЭВМ.The three-phase voltage regulator operates as follows. The switching period at a high frequency, determined by the frequency capabilities of the fully controlled valves (hundreds of hertz for lockable thyristors, kilohertz or tens of kilohertz for transistors), consists of two sub-intervals. At the first sub-interval T _{1, the} gates with full control of input keys, made, for the specificity of the description here, on transistors 3, receive control signals for switching on, as shown in FIG. 2a. The signals for turning on the valve with full control of the output key 15 shown in FIG. 2b, this sub-interval is absent and the output key 15 is locked (open). Under the influence of the input EMF applied to the input terminals A, B, C of the controller and shown in FIG. 2c, currents increase in the storage chokes 7, as shown in FIG. 2g for the inductor current of phase 7 A. There is a process of storing energy in these inductors. The load 6 of each phase in this case is powered by the storage capacitors 7 of the corresponding phases, the voltage across the phase A capacitor is shown in FIG. 2d The voltage at the phase A load is shown in FIG. 2e. The diagrams are obtained by mathematical modeling of a computer controller.

На втором подинтервале T₂ сигналы управления со входных ключей снимаются и они размыкаются, а подается сигнал управления на выходной ключ 15 (фиг. 2б) и он включается. Теперь токи накопительных дросселей 7 получают возможность протекать через накопительные конденсаторы 8 и параллельно включенные им цепи из последовательно соединенных дросселя выходного фильтра 5 и нагрузки 6, замыкаясь через соответствующие проводящие диоды трехфазной мостовой схемы выпрямления 9-14 и выходной ключ 15. При этом энергия тока накопительных дросселей 7 передается в энергию напряжения накопительных конденсаторов 8.At the second sub-interval T ₂ , control signals from the input keys are removed and they open, and a control signal is supplied to the output key 15 (Fig. 2b) and it turns on. Now, the currents of the storage chokes 7 get the opportunity to flow through the storage capacitors 8 and the circuits connected in parallel from the output filter 5 and the load 6 connected in series, closing through the corresponding conductive diodes of the three-phase bridge rectification circuit 9-14 and the output switch 15. In this case, the storage current energy chokes 7 are transferred to the energy of the voltage of the storage capacitors 8.

Регулирование величины выходного напряжения регулятора трехфазного напряжения обеспечивается за счет изменения соотношения длительностей подинтервалов T₁ и T₂ в периоде коммутации T по аналогии с соответствующим инвертирующим повышающим преобразователем постоянного тока в постоянный (Энергетическая электроника. Справочное пособие. М.: Энергия, 1987, с. 158, рис. 3.66е, формула (3.121)).The regulation of the output voltage of the three-phase voltage regulator is provided by changing the ratio of the durations of the sub-intervals T ₁ and T ₂ in the switching period T by analogy with the corresponding inverting step-up DC-DC converter (Energy Electronics. Reference book. M .: Energy, 1987, p. 158, Fig. 3.66e, formula (3.121)).

Здесь коэффициент преобразования регулятора по напряжению определяется соотношением длительностей подинтервалов T₁ и T₂. Поэтому при T₁ > T₂ выходное напряжение регулятора будет больше входного, то есть регулятор обеспечивает бестрансформаторное повышение на нагрузке переменного напряжения источника. Исключение трансформатора из регулятора переменного напряжения, который требуется в традиционных регуляторах для получения напряжения на выходе регулятора, большего, чем входное, приводит к существенному уменьшению массогабаритных показателей регулятора. Вес же дополнительных реактивных элементов в предлагаемом регуляторе (входной LC-фильтр, накопительные дроссели, сглаживающий выходной фильтр) будет относительно малым, если частота коммутации ключей достаточно высока (десятки килогерц).Here, the conversion coefficient of the voltage regulator is determined by the ratio of the durations of the sub-intervals T ₁ and T ₂ . Therefore, at T ₁ > T _{2, the} output voltage of the controller will be greater than the input, that is, the controller provides a transformerless increase in the load of the alternating voltage of the source. The exclusion of the transformer from the AC voltage regulator, which is required in traditional regulators to obtain a voltage at the output of the regulator greater than the input, leads to a significant decrease in the overall dimensions of the regulator. The weight of the additional reactive elements in the proposed controller (input LC filter, storage chokes, smoothing output filter) will be relatively small if the switching frequency of the keys is high enough (tens of kilohertz).

Таким образом, предлагаемый регулятор трехфазного напряжения по сравнению с прототипом имеет то преимущество, что его функциональные возможности расширены, что позволяет обеспечить получение и регулирование выходного напряжения, большего, чем на входе, и, кроме того, он более простой, так как имеет меньшее количество управляемых вентилей. Thus, the proposed three-phase voltage regulator compared with the prototype has the advantage that its functionality is expanded, which allows to obtain and control the output voltage greater than at the input, and, moreover, it is simpler, since it has a smaller number controlled gates.

Claims

A three-phase voltage regulator containing in each phase a series input LC filter, an input key in the form of a counter-parallel connection of a valve with full control and a diode, an output filter choke, a load, and also containing an output key, characterized in that each phase, storage chokes connected in a star or a triangle and connected between the points of connection of the input key and the choke of the output filter, storage capacitors connected in parallel with the circuits are also introduced ovannym series connection of inductor output filter and load for each phase, and the output key formed on the valve with full control and connected to the output of three-phase bridge rectification circuit using diodes, the inputs of the three-phase bridge circuit are connected to the second ends of each phase loads.