RU2165670C1

RU2165670C1 - Multiphase rectifier unit

Info

Publication number: RU2165670C1
Application number: RU99120419A
Authority: RU
Inventors: Ю.И. Хохлов
Original assignee: Хохлов Юрий Иванович
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2001-04-20

Abstract

FIELD: power conversion engineering; ac-to-dc power conversion. SUBSTANCE: rectifier unit has inverter modules whose ac leads are connected to one of three-phase valveside windings of converter transformed and dc leads, to load of six-phase rectifier bridges; each valve side of the latter is made in the form of series-connected diode group placed on magnetic core of saturable-reactor running winding; control and running windings of saturable reactor placed on same magnetic core are connected in series with respective windings of other saturable reactors and, respectively, to dc control and bias voltage sources; running, control, and bias windings of saturable reactors in antiphase valve sides of each of six-phase rectifier bridges are placed on separate magnetic cores arranged so that all these windings related to similar antiphase valve sides of all the six-phase rectifier bridges are connected to valveside windings of converter transformer using same circuit arrangement and placed on common magnetic core. Saturable reactors may be mounted in converter transformer tank, in rectifier bridge cubicles, or may be made as stand-alone apparatuses. Proposed rectifier units may be used as power supplies of electroplating and electrothermal equipment, electrified transport, and the like. EFFECT: reduced power requirement and power loss of saturable reactors, simplified design and improved reactor control balance. 4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано в системах электроснабжения электролизных, электротермических производств, электрического транспорта и других установок, потребляющих электрическую энергию на постоянном токе. The invention relates to power conversion equipment and can be used in power supply systems of electrolysis, electrothermal production, electric transport and other installations consuming direct current electric energy.

Известен многофазный выпрямительный агрегат, состоящий из преобразовательных блоков в виде шестифазных выпрямительных мостов, выводами переменного тока подключенных к одной из трехфазных вентильных обмоток преобразовательного трансформатора, а выводами постоянного тока подключенных к нагрузке, причем каждое вентильное плечо шестифазных выпрямительных мостов выполнено в виде последовательно соединенных диодной группы (диоды соединены последовательно, параллельно или комбинированно, в частном случае диодная группа представляет собой один полупроводниковый прибор) и рабочей обмотки дросселя насыщения, уложенной на индивидуальный магнитопровод. На этот же магнитопровод уложены обмотки управления и смещения дросселя. Число дросселей насыщения равно числу вентильных плеч, т.е. в каждом преобразовательном блоке равно шести, а, например, в двенадцатифазном агрегате с четырьмя преобразовательными блоками равно двадцати четырем. Обмотки управления всех дросселей насыщения соединены последовательно и подключены к источнику постоянного тока. Аналогично обмотки смещения всех дросселей насыщения соединены последовательно и подключены к другому источнику постоянного тока [1]. Known multiphase rectifier unit, consisting of converting units in the form of six-phase rectifier bridges, AC leads connected to one of the three-phase valve windings of the converter transformer, and DC terminals connected to the load, and each valve arm of the six-phase rectifier bridges is made in the form of series-connected diode groups (diodes are connected in series, in parallel or in combination, in the particular case the diode group represents bout a semiconductor device) and the operating winding of saturation throttle laid on the individual magnetic. The control windings and throttle bias are laid on the same magnetic circuit. The number of saturable chokes is equal to the number of valve arms, i.e. in each converter block is six, and, for example, in a twelve-phase unit with four converter blocks is equal to twenty-four. The control windings of all saturation chokes are connected in series and connected to a constant current source. Similarly, the bias windings of all saturation chokes are connected in series and connected to another DC source [1].

Такой многофазный выпрямительный агрегат путем изменения тока в обмотке управления (тока управления) обеспечивает сколь угодно плавное регулирование выпрямленного напряжения, что позволяет осуществлять любой необходимый по технологии электрический режим в нагрузке (в частности, стабилизацию выпрямленного тока или напряжения, постоянство ампер-часов за цикл работы, любой другой программный ввод мощности в нагрузку). Such a multiphase rectifier unit by changing the current in the control winding (control current) provides arbitrarily smooth regulation of the rectified voltage, which allows any electrical mode required by the technology to be applied to the load (in particular, stabilization of the rectified current or voltage, the constancy of ampere hours per cycle of operation) , any other programmed input of power to the load).

Недостатком такого агрегата является высокая установленная мощность дросселей насыщения из-за значительного расхода на их магнитопроводы электротехнической стали. Действительно, включение дросселей насыщения в каждое вентильное плечо преобразовательных блоков, например, в указанном выше двенадцатифазном выпрямительном агрегате требует двадцать четыре стальных магнитопровода. Соответственно велики потери электрической энергии в стали этих магнитопроводов и габариты агрегата, усложнена конструкция преобразователя. Кроме того, для обеспечения симметрии управления (создания равных углов дроссельного управления) требуется тщательный подбор параметров каждого из двадцати четырех дросселей насыщения. Как правило, разброс параметров дросселей насыщения связан с различием характеристик их магнитопроводов. Наличие разброса параметров дросселей насыщения нарушает симметрию дроссельного управления агрегатом. The disadvantage of this unit is the high installed capacity of the saturation chokes due to the significant consumption of electrical steel on their magnetic circuits. Indeed, the inclusion of saturation chokes in each valve arm of the converter units, for example, in the above twelve-phase rectifier unit requires twenty-four steel magnetic cores. Accordingly, the loss of electrical energy in the steel of these magnetic cores and the dimensions of the unit are large, the design of the converter is complicated. In addition, to ensure control symmetry (creating equal throttle control angles), careful selection of the parameters of each of the twenty-four saturation chokes is required. As a rule, the variation in the parameters of saturation chokes is related to the difference in the characteristics of their magnetic cores. The presence of a variation in the parameters of saturation chokes violates the symmetry of the throttle control of the unit.

Известен многофазный выпрямительный агрегат, состоящий из преобразовательных блоков в виде шестифазных выпрямительных мостов, выводами переменного тока подключенных к одной из трехфазных вентильных обмоток преобразовательного трансформатора, а выводами постоянного тока подключенных к нагрузке, с вентильными плечами шестифазных выпрямительных мостов, выполненными в виде последовательно соединенных диодной группы и уложенной на магнитопровод рабочей обмотки дросселя насыщения, обмотки управления и смещения которого, уложенные на тот же магнитопровод, соединены последовательно с аналогичными обмотками других дросселей насыщения и подключены соответственно к источникам управления и смещения постоянного тока, причем на индивидуальный магнитопровод уложены рабочие обмотки, обмотки управления и смещения дросселей насыщения противофазных вентильных плеч каждого из шестифазных выпрямительных мостов [2]. Known multiphase rectifier unit, consisting of converting units in the form of six-phase rectifier bridges, AC terminals connected to one of the three-phase valve windings of the converter transformer, and DC terminals connected to the load, with valve arms of the six-phase rectifier bridge, made in the form of series-connected diode groups and laid on the magnetic circuit of the working winding of the saturation inductor, the control and bias winding of which are laid on of the magnetic circuit, connected in series with other similar windings saturation throttle and connected respectively to the DC control and bias sources, and on individual workers stacked magnetic coil winding and throttle control displacement saturation antiphase valve arms each of six-phase rectifier bridge [2].

Такой многофазный выпрямительный агрегат, выбранный в качестве ближайшего аналога, требует в два раза меньшее число магнитопроводов в дросселях насыщения. Так, в указанном выше двенадцатифазном выпрямительном агрегате требуется только двенадцать стальных магнитопроводов вместо двадцати четырех. Соответственно он имеет меньшие потери электрической энергии в стали этих магнитопроводов, меньшие габариты агрегата, упрощенную конструкцию преобразователя. Кроме того, в силу использования одного и того же магнитопровода при создании углов дроссельного управления в анодном и катодном вентильных плечах обеспечивается равенство этих углов, что упрощает операцию подбора характеристик дросселей насыщения и повышает симметрию дроссельного управления агрегатом. Such a multiphase rectifier unit, selected as the closest analogue, requires half the number of magnetic cores in saturation chokes. So, in the above twelve-phase rectifier unit, only twelve steel magnetic cores are required instead of twenty-four. Accordingly, it has smaller losses of electrical energy in the steel of these magnetic cores, smaller dimensions of the unit, and a simplified design of the converter. In addition, due to the use of the same magnetic circuit when creating throttle control angles in the anode and cathode valve arms, the equality of these angles is ensured, which simplifies the operation of selecting the characteristics of saturation chokes and increases the symmetry of the throttle control of the unit.

Ближайший аналог, однако, в значительной степени сохраняет недостатки агрегата с числом дросселей насыщения, равным числу вентильных плеч. Остается необходимость дальнейшего снижения установленной мощности дросселей насыщения, уменьшения расхода электротехнической стали и потерь электрической энергии в них, а также снижения габаритов, упрощения конструкции и повышения симметрии дроссельного управления агрегатом. Действительно, включение дросселей насыщения в противофазные вентильные плечи каждого из преобразовательных мостов, например, в указанном выше двенадцатифазном выпрямительном агрегате требует двенадцать стальных магнитопроводов. Для обеспечения симметрии управления (создания равных углов дроссельного управления) требуется тщательный подбор параметров каждого из двенадцати дросселей насыщения. The closest analogue, however, to a large extent retains the disadvantages of the unit with the number of saturation chokes equal to the number of valve arms. There remains the need to further reduce the installed capacity of saturation reactors, reduce the consumption of electrical steel and the loss of electrical energy in them, as well as reduce the dimensions, simplify the design and increase the symmetry of the throttle control unit. Indeed, the inclusion of saturation chokes in the antiphase valve arms of each of the converter bridges, for example, in the aforementioned twelve-phase rectifier unit, requires twelve steel magnetic circuits. To ensure control symmetry (creating equal throttle control angles), careful selection of the parameters of each of the twelve saturation chokes is required.

Изобретение решает задачу снижения установленной мощности дросселей насыщения, уменьшения потерь электрической энергии в них, снижения габаритов, упрощения конструктивного выполнения и повышения симметрии дроссельного управления выпрямительных агрегатов. Для этого в многофазном выпрямительном агрегате, состоящем из преобразовательных блоков в виде подключенных выводами переменного тока к одной из трехфазных вентильных обмоток преобразовательного трансформатора, а выводами постоянного тока - к нагрузке шестифазных выпрямительных мостов, каждое вентильное плечо которых выполнено в виде последовательно соединенных диодной группы и уложенной на магнитопровод рабочей обмотки дросселя насыщения, обмотки управления и смещения которого, уложенные на тот же магнитопровод, соединены последовательно с аналогичными обмотками других дросселей насыщения и подключены соответственно к источникам управления и смещения постоянного тока, в котором рабочие обмотки, обмотки управления и смещения дросселей насыщения противофазных вентильных плеч каждого из шестифазных выпрямительных мостов уложены на индивидуальный магнитопровод, рабочие обмотки, обмотки управления и смещения дросселей насыщения одноименных противофазных вентильных плеч всех шестифазных выпрямительных мостов, подключенных к вентильным обмоткам преобразовательного трансформатора с одинаковой схемой соединения, уложены на один общий магнитопровод. Дроссели насыщения выпрямительного агрегата могут быть размещены в баке преобразовательного трансформатора, в шкафах выпрямительных мостов или выполнены в виде самостоятельных аппаратов. The invention solves the problem of reducing the installed power of saturation chokes, reducing the loss of electric energy in them, reducing the dimensions, simplifying the design and increasing the symmetry of the throttle control of the rectifier units. To do this, in a multiphase rectifier unit, consisting of converter blocks in the form of connected alternating current leads to one of the three-phase valve windings of the converter transformer, and direct current leads to the load of six-phase rectifier bridges, each valve arm of which is made in the form of series-connected diode groups and laid to the magnetic circuit of the working winding of the saturation inductor, the control and bias winding of which are laid on the same magnetic circuit, the last connected in particular with similar windings of other saturable reactors and are connected respectively to control and bias DC sources, in which the working windings, control windings and saturation chokes of the antiphase valve arms of each of the six-phase rectifier bridges are laid on an individual magnetic circuit, working windings, control windings and bias of the chokes saturation of the same antiphase valve shoulders of all six-phase rectifier bridges connected to the valve windings will transform transformer ceiling elements with the same circuit connections, are laid on a common magnetic core. The saturation chokes of the rectifier unit can be placed in the tank of the converter transformer, in the cabinets of the rectifier bridges or are made in the form of independent devices.

Предложенный многофазный выпрямительный агрегат удовлетворяет критерию "изобретательский уровень", поскольку в нем дроссели насыщения включены по оригинальной схеме, позволяющей снизить установленную мощность дросселей насыщения, уменьшить потери электрической энергии в них, уменьшить габариты и упростить конструктивное выполнение преобразователя. Последнее связано как с уменьшением числа дросселей насыщения, так и с упрощением подбора их параметров, поскольку теперь один и тот же магнитопровод дросселя используется в противофазных вентильных плечах всех шестифазных выпрямительных мостов, подключенных к вентильным обмоткам преобразовательного трансформатора с одинаковой схемой соединения. Использование общих магнитопроводов в указанном ряде вентильных плеч обеспечивает равенство углов дроссельного управления этих плеч, что повышает симметрию управления агрегатом. The proposed multiphase rectifier unit satisfies the criterion of "inventive step", since saturation chokes are included in it according to the original scheme, which allows to reduce the installed power of saturation chokes, reduce the loss of electrical energy in them, reduce the dimensions and simplify the design of the converter. The latter is connected both with a decrease in the number of saturable reactors and a simplification of the selection of their parameters, since now the same inductor magnetic circuit is used in the out-of-phase valve arms of all six-phase rectifier bridges connected to the valve windings of the converter transformer with the same connection diagram. The use of common magnetic circuits in the indicated series of valve arms provides equal throttle control angles of these arms, which increases the control symmetry of the unit.

На чертеже представлена схема одного из возможных (а именно, двенадцатифазного) вариантов предложенного выпрямительного агрегата. Он содержит четыре преобразовательных блока. Каждый блок образован сетевой обмоткой преобразовательного трансформатора 1, одной из четырех его вентильных обмоток 2, 3, 4 и 5 и одним из четырех шестифазных выпрямительных мостов 6, 7, 8 и 9. По отношению к нагрузке 10 выпрямительные мосты соединены параллельно (возможно последовательное и комбинированное соединение). Выпрямительные мосты 6 и 7 подключены к вентильным обмоткам трансформатора 2 и 3 с одинаковой схемой соединения "звезда". Выпрямительные мосты 8 и 9 подключены к вентильным обмоткам трансформатора 4 и 5 с одинаковой схемой соединения "треугольник". Пары выпрямительных мостов 6 и 7, а также 8 и 9 содержат общие дроссели насыщения с магнитопроводами 11 и 12. На магнитопроводы 11 уложены рабочие обмотки 13 дросселей противофазных вентильных плеч выпрямительного моста 6, а также рабочие обмотки 14 противофазных вентильных плеч выпрямительного моста 7. Аналогично на магнитопроводы 12 уложены рабочие обмотки 15 противофазных вентильных плеч выпрямительного моста 8, а также рабочие обмотки 16 противофазных вентильных плеч выпрямительного моста 9. Обмотки смещения 17 всех шести дросселей насыщения соединены последовательно и подключены к источнику смещения постоянного тока. Обмотки управления 18 всех шести дросселей насыщения соединены последовательно и подключены к источнику управления постоянного тока. Таким образом, в предложенном агрегате используется только шесть дросселей насыщения вместо двадцати четырех, что имеет место в агрегате с включением дросселей в каждое вентильное плечо, и вместо двенадцати в ближайшем аналоге. The drawing shows a diagram of one of the possible (namely, twelve-phase) options of the proposed rectifier unit. It contains four converter blocks. Each block is formed by the network winding of the transformer transformer 1, one of its four valve windings 2, 3, 4 and 5 and one of the four six-phase rectifier bridges 6, 7, 8 and 9. With respect to the load 10, the rectifier bridges are connected in parallel (possibly serial and combination compound). Rectifier bridges 6 and 7 are connected to the valve windings of transformer 2 and 3 with the same star connection pattern. Rectifier bridges 8 and 9 are connected to the valve windings of transformer 4 and 5 with the same "triangle" connection diagram. The pairs of rectifier bridges 6 and 7, as well as 8 and 9, contain common saturation chokes with magnetic circuits 11 and 12. The magnetic windings 11 contain the working windings 13 of the chokes of the antiphase valve arms of the rectifier bridge 6, as well as the working windings 14 of the antiphase valve arms of the rectifier bridge 7. Similarly the working windings 15 of the antiphase valve arms of the rectifier bridge 8 and also the working windings of 16 antiphase valve arms of the rectifier bridge 9 are laid on the magnetic circuits 12. Bias windings 17 of all six saturation chokes with dineny sequentially and connected to the DC bias source. The control windings 18 of all six saturation chokes are connected in series and connected to a direct current control source. Thus, in the proposed unit, only six saturation chokes are used instead of twenty-four, which takes place in the unit with the inclusion of chokes in each valve arm, and instead of twelve in the closest analogue.

Работа многофазного выпрямительного агрегата осуществляется следующим образом. При подключении сетевой обмотки трансформатора 1 к питающей сети на его вентильных обмотках 2, 3, 4 и 5 образуется многофазная (в приведенном на чертеже агрегате двенадцатифазная) система напряжений. Исходное магнитное состояние магнитопроводов 11 и 12 задается постоянными токами смещения и управления в обмотках 17 и 18. Точка, изображающая исходное магнитное состояние дросселей насыщения, находится на ненасыщенном участке кривой намагничивания их магнитопроводов. При периодических появлениях положительных напряжений на последовательно соединенных диодных группах мостов 6, 7, 8 и 9 и рабочих обмотках дросселей насыщения 13, 14, 15 и 16 соответствующая диодная группа открывается, а дроссель насыщения выводится из ненасыщенного состояния. В процессе выведения дросселей насыщения углы дроссельного управления создаются одновременно в парах мостов 6 и 7, 8 и 9. Длительность процесса выведения дросселей определяет величину угла дроссельного управления, а следовательно, и величину выпрямленного напряжения на нагрузке 10. После проведения тока вентильным плечом последовательно соединенный дроссель заводится в исходное ненасыщенное состояние. Причем, поскольку на магнитопроводы дросселей 11 и 12 уложены пары противофазных рабочих обмоток 13, 14 и 15, 16, то дроссели насыщения дважды за период напряжения питающей сети выводятся из ненасыщенного состояния, т.е. дважды за период создают углы дроссельного управления (один раз в анодных вентильных плечах, а другой раз в катодных плечах мостов 6 и 7, 8 и 9). Также дважды они заводятся в ненасыщенное исходное состояние. Изменением тока управления в обмотках 18 регулируются углы управления во всех выпрямительных мостах 6, 7, 8 и 9 и сколь угодно плавно регулируется напряжение на нагрузке 10. The operation of a multiphase rectifier unit is as follows. When connecting the main winding of the transformer 1 to the supply network, a multiphase (twelve-phase) voltage system is formed on its valve windings 2, 3, 4 and 5. The initial magnetic state of the magnetic cores 11 and 12 is set by direct bias and control currents in the windings 17 and 18. A point depicting the initial magnetic state of the saturation chokes is located on the unsaturated portion of the magnetization curve of their magnetic cores. With periodic occurrences of positive voltages on the diode groups of bridges 6, 7, 8, and 9 connected in series and the working windings of saturation chokes 13, 14, 15, and 16, the corresponding diode group opens, and the saturation choke is removed from the unsaturated state. In the process of removing saturable chokes, the throttle control angles are created simultaneously in pairs of bridges 6 and 7, 8 and 9. The duration of the choke removal process determines the magnitude of the throttle control angle, and therefore the rectified voltage across the load 10. After the current is carried by the valve arm, the choke connected in series starts in the initial unsaturated state. Moreover, since pairs of antiphase working windings 13, 14 and 15, 16 are laid on the magnetic circuits of the chokes 11 and 12, saturation chokes are twice removed from the unsaturated state twice during the period of the supply voltage, i.e. twice during the period they create throttle control angles (once in the anode valve arms, and another time in the cathode arms of bridges 6 and 7, 8 and 9). Also, they are twice brought into an unsaturated initial state. By changing the control current in the windings 18, the control angles in all rectifier bridges 6, 7, 8 and 9 are regulated and the voltage at the load 10 is arbitrarily adjusted.

Технико-экономический эффект от применения предложенного многофазного выпрямительного агрегата связан со снижением установленной мощности дросселей насыщения, с сокращением расхода электротехнической стали и потерь электрической энергии в магнитопроводах дросселей, с уменьшением габаритов и упрощением конструктивного выполнения выпрямительного агрегата (например, в указанном выше двенадцатифазном выпрямительном агрегате требуется только шесть дросселей насыщения вместо двенадцати в ближайшем аналоге). В предложенном преобразователе упрощен подбор параметров дросселей насыщения и повышена симметрия управления, поскольку теперь один и тот же магнитопровод дросселя используется в противофазных вентильных плечах всех шестифазных выпрямительных мостов, подключенных к вентильным обмоткам преобразовательного трансформатора с одинаковой схемой соединения. The technical and economic effect of the application of the proposed multiphase rectifier unit is associated with a decrease in the installed power of saturation chokes, with a reduction in the consumption of electrical steel and electrical energy losses in the chokes of the chokes, with a decrease in dimensions and simplification of the design of the rectifier unit (for example, in the above-mentioned twelve-phase rectifier unit only six saturation chokes instead of twelve in the closest analogue). In the proposed converter, the selection of saturation choke parameters is simplified and control symmetry is increased, since now the same choke magnetic circuit is used in the out-of-phase valve arms of all six-phase rectifier bridges connected to the valve windings of the converter transformer with the same connection scheme.

Литература
1. Система управления током серии электролизеров 21/22 корпусов АО "Братский алюминиевый завод". Технический отчет по наладке и испытаниям. Екатеринбург: "Российская электротехническая компания", 1996, рис. 1.Literature
1. The current control system of a series of electrolyzers of 21/22 buildings of Bratsk Aluminum Plant JSC. Technical report on commissioning and testing. Yekaterinburg: "Russian Electrotechnical Company", 1996, fig. 1.

2. Патент N 2100896 (РФ). Многофазный выпрямительный агрегат. / Ю.И. Хохлов. // Бюл. изобр. N 36. - 1997. 2. Patent N 2100896 (RF). Multiphase rectifier unit. / Yu.I. Khokhlov. // Bull. fig. N 36. - 1997.

Claims

1. A multiphase rectifier unit, consisting of converter blocks in the form of connected alternating current leads to one of the three-phase valve windings of the converter transformer, and direct current terminals - to the load of six-phase rectifier bridges, each valve arm of which is made in the form of series-connected diode groups and laid on the magnetic circuit of the working winding of the saturation inductor, whose control and bias windings, laid on the same magnetic circuit, are connected in series with similar windings of other saturable reactors and are connected respectively to control and DC bias sources, and the working windings, control windings and saturation chokes of the antiphase valve arms of each of the six-phase rectifier bridges are laid on an individual magnetic circuit, characterized in that the working windings, control and bias windings saturation chokes of the same antiphase valve arms of all six-phase rectifier bridges connected to the valve windings of the pre development transformer with the same connection diagram, laid on one common magnetic circuit.

2. The unit according to claim 1, characterized in that the saturation chokes are located in the tank of the transformer transformer.

3. The unit according to claim 1, characterized in that the saturation chokes are located in the cabinets of the rectifier bridges.

4. The unit according to claim 1, characterized in that the saturation chokes are made in the form of independent devices.