RU2231907C2

RU2231907C2 - Universal modular converter

Info

Publication number: RU2231907C2
Application number: RU2002103827/09A
Authority: RU
Inventors: Н.И. Богатырев (RU); Н.И. Богатырев; Н.Н. Курзин (RU); Н.Н. Курзин; О.В. Григораш (RU); О.В. Григораш; А.С. Креймер (RU); А.С. Креймер; Д.В. Мельников (RU); Д.В. Мельников; Е.А. Зайцев (RU); Е.А. Зайцев
Original assignee: Кубанский государственный аграрный университет
Priority date: 2002-02-11
Filing date: 2002-02-11
Publication date: 2004-06-27

Abstract

FIELD: electrical engineering; static off-line power converters including those used in no-break power systems.

SUBSTANCE: novelty is introduction of following pieces of equipment: main and stand-by converters incorporating modular single-phase matching transformer unit and modular unit of semiconductor switches that may be, for instance, built around transistors, stand-by converter being connected to phase that fed faulty converter; two bus systems for connecting converters and building up installed capacity of universal converter, if necessary, by connecting to them identical converters; modular filter units and modular switching unit, matching transformer, and semiconductor switches; multilogic control unit capable of functioning according to more than one control algorithm so that converter can run as rectifier, inverter, direct-acting frequency changer, including provision for reversible operation of converters both with respect to conversion and regulation of power characteristics; in addition running as converter is ensured by series connection of converters.

EFFECT: enlarged functional capabilities.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к статическим преобразователям электроэнергии, применяемым в системах автономного, в том числе гарантированного, электроснабжения.The invention relates to electrical engineering, in particular to static electric power converters used in autonomous, including guaranteed, power supply systems.

Известные статические преобразователи (см. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992, с.296) выполняют функции выпрямителей, инверторов, конверторов или преобразователей частоты. Основным недостатком известных преобразователей является низкая надежность работы.Known static converters (see Rozanov YK Fundamentals of power electronics. - M .: Energoatomizdat, 1992, p.296) perform the functions of rectifiers, inverters, converters or frequency converters. The main disadvantage of the known converters is the low reliability.

Наиболее близким по техническому решению является преобразователь (см. Кобзев А.В., Михальченко Г.Я., Музыченко Н.М. Модуляционные источники питания РЭА. - Томск.: Радио и связь, 1990, рис. 1.2), содержащий блок управления, входной и выходной фильтры, последовательные звенья, подключенные между собой параллельно и содержащие входной преобразователь, модулятор и выходной преобразователь. К недостаткам преобразователя относятся большая масса и габариты, низкая надежность из-за избыточного числа преобразователей электроэнергии и неспособность работать в обратимых режимах (пропускать, преобразуя и стабилизируя, потоки энергии в обоих направлениях) по преобразованию и стабилизации параметров электроэнергии.The closest to the technical solution is the converter (see Kobzev A.V., Mikhalchenko G.Ya., Muzychenko N.M. Modulation power sources REA. - Tomsk .: Radio and communications, 1990, Fig. 1.2), containing a control unit , input and output filters, serial links connected in parallel with each other and containing an input converter, a modulator and an output converter. The disadvantages of the converter include the large mass and dimensions, low reliability due to the excessive number of electric power converters and the inability to work in reversible modes (transmitting, converting and stabilizing energy flows in both directions) for converting and stabilizing electric parameters.

Техническим решением поставленной задачи является улучшение массогабаритных показателей и повышение надежности преобразователя, обеспечение обратимости его работы, т.е. универсальности, по преобразованию и стабилизации параметров электроэнергии за счет модульной конструкции с модульным блоком коммутации.The technical solution to this problem is to improve overall dimensions and increase the reliability of the converter, ensuring the reversibility of its operation, i.e. universality, in the conversion and stabilization of electricity parameters due to the modular design with a modular switching unit.

Поставленная задача достигается тем, что универсальный модульный преобразователь, содержащий блок управления, входной и выходной фильтры и силовой преобразователь, выполнен унифицированным, а в качестве блока управления использован многофункциональный блок управления и преобразователь содержит модульный блок коммутации, модульные блоки первого и второго фильтров, первый и второй комплекты шин по три и две соответственно, четыре преобразующих устройства, первые три и вторые два вывода преобразователя, причем вторые выводы унифицированного преобразователя соединены со вторыми входами многофункционального блока управления и вторыми выводами второго модульного блока фильтра, первые выводы которого соединены со вторым комплектом шин X, Y, а первые выводы унифицированного преобразователя соединены с первыми входами многофункционального блока управления и со вторыми выводами первого модульного блока фильтра, вторые выводы которого подключены к первому комплекту шин А, В, С, каждая из шин первого комплекта через контакты модульного блока коммутации подключена к первым выводам первого, второго и третьего основных преобразующих устройств, четвертое, резервное, преобразующее устройство своим первым выводом подключено к каждой из трех шин А, В, С через контакты модульного блока коммутации, второй и третий выводы всех преобразующих устройств соединены с первой и второй шинами соответственно второго комплекта шин X, Y, каждая из которых соединена с первыми выводами второго модульного блока фильтра, каждое преобразующее устройство содержит управляющие входы, которые соединены с соответствующими первыми выходами многофункционального блока управления и содержат модульный блок согласующего трансформатора и модульный блок полупроводниковых ключей, первые выводы преобразующих устройств соединены с началом первичной обмотки модульных блоков согласующих трансформаторов, а концы первичных обмоток соединены между собой и с нулевым проводом, кроме того, начала первичных обмоток соединены с началом вторичных обмоток через контакты модульного блока коммутации, концы вторичных обмоток согласующих трансформаторов соединены между собой, а их начала соединены с первым выводом модульных блоков полупроводниковых ключей, содержащих последовательно включенные первый и второй транзисторы, причем коллектор первого транзистора соединен с эмиттером второго транзистора и их общий узел соединен с первым входом модульного блока полупроводниковых ключей, эмиттер первого и коллектор второго транзисторов являются вторым и третьим соответственно выводами преобразующих устройств, которые подключены к шинам X, Y второго комплекта, вторые выходы блока управления соединены с модульным блоком коммутации.The task is achieved in that the universal modular converter comprising a control unit, input and output filters and a power converter is made unified, and a multifunction control unit is used as a control unit and the converter contains a modular switching unit, modular units of the first and second filters, the first and the second sets of tires in three and two, respectively, four converting devices, the first three and second two conclusions of the Converter, and the second conclusions of the unified this converter are connected to the second inputs of the multifunction control unit and the second terminals of the second filter module block, the first conclusions of which are connected to the second set of buses X, Y, and the first conclusions of the unified converter are connected to the first inputs of the multifunction control unit and to the second terminals of the first filter module, the second conclusions of which are connected to the first set of buses A, B, C, each of the buses of the first set through the contacts of the modular switching unit is connected to the first the conclusions of the first, second and third main converting devices, the fourth, backup, converting device with its first output is connected to each of the three buses A, B, C through the contacts of the modular switching unit, the second and third outputs of all converting devices are connected to the first and second buses, respectively the second set of buses X, Y, each of which is connected to the first terminals of the second modular filter unit, each converting device contains control inputs that are connected to the corresponding first outputs odes of the multifunctional control unit and contain a modular block of the matching transformer and a modular block of semiconductor switches, the first outputs of the converting devices are connected to the beginning of the primary winding of the modular blocks of matching transformers, and the ends of the primary windings are connected to each other and to the neutral wire, in addition, the beginning of the primary windings are connected to the beginning of the secondary windings through the contacts of the modular switching unit, the ends of the secondary windings of the matching transformers are interconnected, and their Ala are connected to the first output of the modular blocks of semiconductor switches containing the first and second transistors connected in series, the collector of the first transistor connected to the emitter of the second transistor and their common node connected to the first input of the modular block of semiconductor switches, the emitter of the first and collector of the second transistors are the second and third respectively, the conclusions of the converting devices that are connected to the buses X, Y of the second set, the second outputs of the control unit are connected to the modular unit commutation.

Новизна технического решения обусловлена введением основных и резервного преобразовательных устройств, содержащих модульный блок однофазного согласующего трансформатора и модульный блок полупроводниковых ключей, которые, к примеру, могут быть выполнены на транзисторах, при этом резервное устройство подключается к той фазе, от которой питалось неисправное преобразовательное устройство; двух комплектов шин, к которым подключаются преобразовательные устройства и позволяющим при необходимости наращивать установленную мощность универсального модульного преобразователя путем подключения к ним однотипных преобразовательных устройств; модульных блоков фильтров и модульного блока коммутации, согласующих трансформаторов, полупроводниковых ключей; многофункционального блока управления, который способен работать по нескольким алгоритмам управления таким образом, что преобразователь может работать в режимах выпрямителя, инвертора, непосредственного преобразователя частоты, в том числе обеспечивая обратимость работы преобразователей как по преобразованию, так и по стабилизации параметров электроэнергии, кроме того, режим конвертора обеспечивается при последовательном подключении преобразователей.The novelty of the technical solution is due to the introduction of the main and backup converting devices containing a modular block of a single-phase matching transformer and a modular block of semiconductor switches, which, for example, can be made on transistors, while the backup device is connected to the phase from which the faulty converter is powered; two sets of buses to which converting devices are connected and allowing, if necessary, to increase the installed capacity of a universal modular converter by connecting the same type of converter devices to them; modular filter units and modular switching unit, matching transformers, semiconductor switches; multifunctional control unit, which is capable of operating according to several control algorithms in such a way that the converter can operate in the modes of a rectifier, inverter, direct frequency converter, including ensuring the reversibility of the converters both for conversion and stabilization of electric parameters, in addition, the mode Converter is provided with serial connection of converters.

По данным научно-исследовательской и патентной литературы авторам не известна заявленная совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи.According to the research and patent literature, the authors are not aware of the claimed combination of features aimed at achieving the task.

Сущность изобретения поясняется функциональной схемой универсального модульного преобразователя, которая представлена на чертеже.The invention is illustrated by the functional diagram of a universal modular Converter, which is presented in the drawing.

Универсальный модульный преобразователь содержит первые 1, 2, 3 и вторые 4, 5 выводы для подключения источника питания или нагрузки соответственно, соединенные с многофункциональным блоком управления 6, который соединен с модульным блоком коммутации 7, первый 8 и второй 9 модульные блоки фильтров соединены с первым комплектом шин А, В, С, 0 и вторым комплектом шин X, Y соответственно, три основных 10, 11, 12 и одно резервное 13 преобразующее устройство, каждое из которых содержит модульные блоки однофазных согласующих трансформаторов 14-17, соединенных с одной стороны с модульными блоками полупроводниковых ключей 18-21, блоки однофазных согласующих трансформаторов 14-17 имеют одноименные выводы 22-25, а модульные блоки ключей 18-21 содержат первый 26 и второй 27 транзисторы и выводы 28-30, соединенные со вторым комплектом шин X, Y, а выводами 28 - с выводами 24 однофазных согласующих трансформаторов 14-17, первый комплект шин А, В, С, 0 через контакты 31-36 соединен с соответствующими преобразовательными устройствами 10-13, одноименные выводы которых 22, 24 соединены с контактами 37-40 модульного блока коммутации 7.The universal modular converter contains the first 1, 2, 3 and second 4, 5 terminals for connecting a power source or load, respectively, connected to a multifunction control unit 6, which is connected to a modular switching unit 7, the first 8 and second 9 modular filter units are connected to the first a set of tires A, B, C, 0 and a second set of tires X, Y, respectively, three main 10, 11, 12 and one backup 13 converting device, each of which contains modular blocks of single-phase matching transformers 14-17 connected on the one hand, with modular blocks of semiconductor switches 18-21, blocks of single-phase matching transformers 14-17 have terminals 22-25 of the same name, and modular blocks of keys 18-21 contain first 26 and second 27 transistors and terminals 28-30 connected to the second set of buses X, Y, and leads 28 - with leads 24 of single-phase matching transformers 14-17, the first set of buses A, B, C, 0 through contacts 31-36 is connected to the corresponding converting devices 10-13, the same leads of which 22, 24 are connected to contacts 37-40 of the modular switching unit 7.

Многофункциональный блок управления 6 универсального модульного преобразователя своими управляющими выходами соединен с соответствующими входами полупроводниковых ключей 18-21, выполнен на микропроцессорной технике и содержит несколько программ, обеспечивающих работу по преобразованию и стабилизации напряжения нескольких типов преобразовательных устройств, кроме того, он осуществляет функции контроля параметров электроэнергии, функции защиты и оперативных переключений через модульный блок коммутации 7.The multifunctional control unit 6 of the universal modular converter with its control outputs is connected to the corresponding inputs of semiconductor switches 18-21, is microprocessor-based and contains several programs that provide work on the conversion and voltage stabilization of several types of converter devices, in addition, it carries out the functions of monitoring the parameters of electricity , protection and operational switching functions through the modular switching unit 7.

Универсальный модульный преобразователь работает следующим образом.Universal modular Converter operates as follows.

Режим выпрямителя. К первым выводам 1, 2, 3 универсального модульного преобразователя подключается трехфазный источник электроэнергии переменного тока. Модульный блок первого фильтра 8 в этом режиме может быть исключен из схемы преобразователя. Через шины А, В, С и контакты 31-33, коммутация которых осуществляется модульным блоком коммутации 7, напряжение источника питания подключается к преобразовательным устройствам, а именно к выводам 22, 23 первичных обмоток однофазных модульных блоков согласующих трансформаторов 14-16. Трансформаторы осуществляют согласование напряжения источника питания с нагрузкой, т.е. преобразуют его до требуемого для нагрузки уровня. Далее напряжение переменного тока прикладывается к модульным блокам полупроводниковых ключей 18-20, которые преобразуют его в напряжение постоянного тока, последнее поступает к шинам Х и Y. Модульный блок второго фильтра 9 осуществляет сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения до требуемого уровня, нагрузка подключается к выводам 4 и 5. Стабилизация напряжения осуществляется многофункциональным блоком управления 6 за счет изменения угла управления полупроводниковых ключей относительно времени естественной коммутации фазных напряжений источника питания. Резервное преобразовательное устройство 13 включается в работу в случае неисправности какого-либо из основных преобразовательных устройств 10-12, к соответствующей фазе источника питания А, В, С. К входным выводам 1, 2, 3 может подключаться и однофазный источник напряжения.Rectifier Mode. To the first conclusions 1, 2, 3 of the universal modular converter, a three-phase AC power source is connected. The modular block of the first filter 8 in this mode can be excluded from the converter circuit. Through buses A, B, C and contacts 31-33, the switching of which is carried out by the modular switching unit 7, the voltage of the power source is connected to the converter devices, namely, to the terminals 22, 23 of the primary windings of the single-phase modular blocks of matching transformers 14-16. Transformers match the voltage of the power source with the load, i.e. convert it to the level required for the load. Next, the AC voltage is applied to the modular blocks of semiconductor switches 18-20, which convert it to DC voltage, the latter goes to the X and Y buses. The modular block of the second filter 9 smooths the ripples of the rectified voltage to the required level, the load is connected to terminals 4 and 5. Voltage stabilization is carried out by a multifunction control unit 6 by changing the control angle of the semiconductor switches relative to the natural switching time of phase voltages eny power source. A backup converter 13 is switched on in the event of a malfunction of any of the main converter devices 10-12, to the corresponding phase of the power supply A, B, C. A single-phase voltage source can also be connected to the input terminals 1, 2, 3.

Режим инвертора. Источник напряжения постоянного тока подключается ко вторым выводам 4, 5 универсального модульного преобразователя, и через модульный блок второго фильтра 9 и шины X, Y напряжение прикладывается к модульным блокам полупроводниковых ключей 18-21. Последние осуществляют преобразование напряжения постоянного тока в симметричную трехфазную систему напряжений переменного тока и через контакты 31-36, шины А, В, С, модульный блок первого фильтра 8 подают напряжение на первые выводы 1, 2, 3, к которым подключается нагрузка переменного тока.Inverter mode. The DC voltage source is connected to the second terminals 4, 5 of the universal modular converter, and through the modular block of the second filter 9 and the X, Y bus voltage is applied to the modular blocks of semiconductor switches 18-21. The latter carry out the conversion of direct current voltage into a symmetric three-phase system of alternating current voltages and through contacts 31-36, buses A, B, C, the modular block of the first filter 8 supply voltage to the first terminals 1, 2, 3, to which the alternating current load is connected.

Режим непосредственного преобразователя частоты. При этом необходимы дополнительные модульные блоки полупроводниковых ключей, эмиттерные выводы 29 которых подключаются к шине Y, а коллекторные выводы 30 - к шине X. В этом случае каждый из модульных блоков полупроводниковых ключей подключается к соответствующей шине А, В, С через контакты 31-36, 37-40. Модульные блоки согласующих трансформаторов 14-17 в этом режиме исключены из работы. Высокочастотное напряжение источника питания подключается к первым выводам 1, 2, 3 универсального модульного преобразователя и через первый фильтр 8, шины А, В, С - к модульным блокам полупроводниковых ключей 18-21, которые преобразуют систему трехфазных напряжений в однофазную и понижают его частоту до требуемых значений для нагрузки, которая подключается к выводам 4, 5 преобразователя. Второй фильтр 9 обеспечивает требуемое качество преобразованного напряжения источника питания. При необходимости получения трехфазной низкочастотной системы напряжения в конструкции универсального модульного преобразователя должна быть предусмотрена дополнительная шина Z совместно с шинами X, Y. В этом случае несколько изменяется алгоритм работы блока управления 6.Direct frequency converter mode. In this case, additional modular blocks of semiconductor switches are required, the emitter pins of which 29 are connected to bus Y, and the collector terminals 30 are connected to bus X. In this case, each of the modular blocks of semiconductor switches is connected to the corresponding bus A, B, C through contacts 31-36 , 37-40. The modular blocks of matching transformers 14-17 in this mode are excluded from work. The high-frequency voltage of the power source is connected to the first terminals 1, 2, 3 of the universal modular converter and, through the first filter 8, buses A, B, C, to the modular blocks of semiconductor switches 18-21, which convert the three-phase voltage system to single-phase and lower its frequency to required values for the load, which is connected to the conclusions 4, 5 of the Converter. The second filter 9 provides the required quality of the converted voltage of the power source. If it is necessary to obtain a three-phase low-frequency voltage system, the design of the universal modular converter must provide an additional bus Z together with the buses X, Y. In this case, the algorithm of the control unit 6 changes slightly.

Режим конвертора. В этом случае необходимо последовательно включить два универсальных модульных преобразователя, при этом первый должен работать в инверторно-трансформаторном режиме, а второй - в режиме выпрямителя. Здесь стабилизацию напряжения можно осуществлять как за счет изменения угла управления транзисторов инвертора, так и за счет изменения угла управления транзисторов выпрямителя.Converter mode. In this case, it is necessary to turn on two universal modular converters in series, while the first should work in the inverter-transformer mode, and the second in the rectifier mode. Here, voltage stabilization can be carried out both by changing the control angle of the inverter transistors, and by changing the control angle of the rectifier transistors.

При необходимости наращивания установленной мощности или повышения надежности универсального модульного преобразователя его конструкция позволяет подключать к шинам А, В, С и X, Y типовых по мощности модульных блоков фильтров, основных и резервных преобразовательных устройств.If it is necessary to increase the installed capacity or increase the reliability of a universal modular converter, its design allows connecting to the A, B, C, and X, Y buses standard power modules of filter units, primary and backup converting devices.

В отличие от известных преобразователей электроэнергии универсальный модульный преобразователь обладает следующими достоинствами.In contrast to the well-known power converters, a universal modular converter has the following advantages.

1. Уменьшается масса, габариты и повышается надежность преобразователя, в том числе его ремонтопригодность.1. The mass, dimensions are reduced and the reliability of the converter is increased, including its maintainability.

2. Несложными техническими решениями может осуществляться наращивание установленной мощности преобразователя.2. Simple technical solutions may increase the installed capacity of the converter.

3. Обеспечение обратимости работы по преобразованию и стабилизации параметров электроэнергии позволит уменьшить число преобразователей в автономных системах электроснабжения за счет возможности реализации адаптивного управления.3. Ensuring the reversibility of work on the conversion and stabilization of electricity parameters will reduce the number of converters in autonomous power supply systems due to the possibility of implementing adaptive control.

4. Сокращается время проектирования преобразователей за счет разработки однотипных, с учетом известных режимов работы, модульных блоков и применения системы управления, позволяющей осуществлять управление, обеспечивающее различные режимы работы.4. The design time of the converters is reduced due to the development of the same type, taking into account the well-known operating modes, modular units and the use of a control system that allows for control, providing various operating modes.

Claims

A universal modular converter comprising a control unit, input and output filters and a power converter, characterized in that the universal modular converter is unified, and a multifunction control unit is used as a control unit, and said converter contains a modular switching unit, modular blocks of the first and second filters, the first and second sets of tires in three and two, respectively, four converting devices, the first three and second two conclusions of the Converter, moreover, the second conclusions of the unified converter are connected to the second inputs of the multifunctional control unit and the second conclusions of the second modular filter unit, the first conclusions of which are connected to the second set of buses X, Y, and the first conclusions of the unified converter are connected to the first inputs of the multifunction control unit and to the second conclusions of the first modular filter block, the second terminals of which are connected to the first set of tires A, B, C, each of the tires of the first set through the contacts of the modular unit and the switching is connected to the first terminals of the first, second and third main converting devices, the fourth, redundant, converting device with its first output is connected to each of the three buses A, B, C through the contacts of the modular switching unit, the second and third conclusions of all converting devices are connected to the first and second buses, respectively, of the second set of tires X, Y, each of which is connected to the first terminals of the second filter module, each conversion device contains control inputs that are connected with the corresponding first outputs of the multifunctional control unit and contain a modular block of the matching transformer and a modular block of semiconductor switches, the first conclusions of the converting devices are connected to the beginning of the primary winding of the modular blocks of matching transformers, and the ends of the primary windings are connected to each other and to the neutral wire, in addition, primary windings are connected to the beginning of the secondary windings through the contacts of the modular switching unit, the ends of the secondary windings matching transformer The s are interconnected, and their beginnings are connected to the first output of the modular blocks of semiconductor switches containing the first and second transistors connected in series, the collector of the first transistor connected to the emitter of the second transistor and their common node connected to the first input of the modular block of semiconductor switches, the emitter of the first and the collector of the second transistors are the second and third outputs of the converting devices, which are connected to the buses X, Y of the second set, the second outputs of the control unit eniya coupled with a modular switching unit.