RU2234183C1

RU2234183C1 - Three-phase ac-to-dc voltage converter and its control process

Info

Publication number: RU2234183C1
Application number: RU2002133716/09A
Authority: RU
Inventors: Ю.С. Игольников (RU); Ю.С. Игольников
Original assignee: Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва
Priority date: 2002-12-15
Filing date: 2002-12-15
Publication date: 2004-08-10

Abstract

FIELD: converter engineering; dc load power supplies.

SUBSTANCE: proposed converter incorporating provision for parallel operation of two anode-circuit phases beyond switching time interval with anode current of its valve components reduced to half the load current (1/2 I_d) flowing as long as during up to two thirds of cycle (240 el. degrees) unattainable for all existing ac-to-dc voltage converters has transformer with star-connected secondary phase windings. Each phase winding of transformer is connected to center tap of one of windings of paralleling reactor that has three similar windings wound on single magnetic core. Paralleling reactor leads are connected to like electrodes such as anodes of respective controlled valve components such as thyristors. Thyristor cathodes are interconnected and form one of converter output terminals. Load incorporating, for example, resistor and inductance coil is inserted between this terminal and second one ("o" point).

EFFECT: improved operating conditions of converter valve components.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение для питания потребителей постоянного тока.The invention relates to the field of converter technology and may find application for supplying direct current consumers.

Известны преобразователи трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащие трехфазный трансформатор, вторичные обмотки которого соединены в m-фазную звезду и соединены с вентильными элементами по m-фазной нулевой схеме (Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи, ч.III - М.: Госэнергоиздат, 1956, с.100).Known converters of three-phase AC to DC, containing a three-phase transformer, the secondary windings of which are connected to an m-phase star and connected to the valve elements according to the m-phase zero circuit (Kaganov I.L. Electronic and ionic converters, part III - M .: Gosenergoizdat, 1956, p. 100).

Однако в них отсутствует распределение тока по параллельным анодным цепям, включающим обмотку трансформатора. Только при m=6 известна одновременная параллельная работа двух фаз вторичной обмотки преобразователя за счет введения уравнительного реактора, включенного между нулевыми точками двух звезд шестифазной системы (Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи, ч.III - М.: Госэнергоиздат, 1956, с.132).However, they do not have a current distribution along parallel anode circuits, including a transformer winding. Only at m = 6, the simultaneous parallel operation of two phases of the secondary winding of the converter is known due to the introduction of a surge reactor connected between the zero points of two stars of the six-phase system (Kaganov I.L. Electronic and ion converters, part III - M .: Gosenergoizdat, 1956, p.132).

Известный преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, выполненный по трехфазной схеме с нулевым выводом (прототип), является частным случаем m-фазных схем (m=3). Он содержит вторичную обмотку, соединенную в звезду, и вентильные элементы, подключенные к вторичной обмотке и нагрузке по нулевой схеме (Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи, ч.III - М.: Госэнергоиздат, 1956, с.91).The well-known converter of three-phase AC to DC, made according to a three-phase circuit with zero output (prototype), is a special case of m-phase circuits (m = 3). It contains a secondary winding connected to a star, and valve elements connected to the secondary winding and the load according to the zero circuit (Kaganov I.L. Electronic and ion converters, part III - M .: Gosenergoizdat, 1956, p. 91).

Недостатком этого преобразователя является то, что ввиду минимального числа фаз вторичной обмотки он не обеспечивает параллельную работу анодных цепей, и длительность протекания анодного тока равна только 1/3 периода.The disadvantage of this converter is that, due to the minimum number of phases of the secondary winding, it does not provide parallel operation of the anode circuits, and the duration of the anode current is only 1/3 of the period.

Технический результат заключается в достижении параллельной работы двух фаз анодной цепи во внекоммутационный интервал времени и улучшении режима работы вентильных элементов за счет снижения величины анодного тока до половины тока нагрузки (1/2 I_d), увеличения длительности его протекания до 2/3 периода (240 эл. град.), не достигнутой ни в одной схеме преобразования переменного напряжения в постоянное.The technical result consists in achieving parallel operation of two phases of the anode circuit in the non-switching time interval and improving the operation mode of the valve elements by reducing the anode current to half the load current (1/2 I _d ), increasing the duration of its flow to 2/3 of the period (240 city), not achieved in any circuit for converting AC voltage to DC.

Сущность заключается в том, что преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий трехфазный трансформатор, вторичные фазные обмотки которого соединены в звезду, и вентильные элементы, снабжен трехобмоточным уравнительным реактором, выполненным в виде трех одинаковых обмоток, расположенных на одном магнитопроводе. Каждая вторичная фазная обмотка трехфазного трансформатора соединена со средней точкой соответствующей обмотки уравнительного реактора, каждая из обмоток которого своими выводами подключена к одноименным электродам соответствующих управляемых вентильных элементов, другие электроды которых соединены с одноименными электродами всех остальных управляемых вентильных элементов, образующими один их выходных зажимов. Второй выходной зажим является нулевой точкой.The essence is that a three-phase AC to DC converter containing a three-phase transformer, the secondary phase windings of which are connected to a star, and valve elements, is equipped with a three-winding surge reactor made in the form of three identical windings located on one magnetic circuit. Each secondary phase winding of a three-phase transformer is connected to the midpoint of the corresponding winding of the equalization reactor, each of whose windings is connected with its terminals to the same electrodes of the corresponding controlled valve elements, the other electrodes of which are connected to the same electrodes of all the other controlled valve elements forming one of their output terminals. The second output terminal is the zero point.

В способе управления преобразователем трехфазного напряжения в постоянное путем подачи управляющих сигналов на управляемые вентильные элементы со сдвигом на 1/3 периода, управляющие сигналы, например импульсы, при отсутствии регулирования, подают при отрицательных мгновенных значениях фазных э.д.с., причем на каждый из управляемых вентильных элементов сигнал управления подают один раз за два периода.In the method of controlling a three-phase voltage to DC converter by supplying control signals to controlled valve elements with a 1/3 period shift, control signals, for example pulses, in the absence of regulation, are supplied at negative instantaneous values of phase emfs, each from controlled valve elements, the control signal is supplied once in two periods.

На фиг.1 показана схема преобразователя; на фиг.2а-е - диаграммы напряжений, токов и управляющих сигналов, характеризующие работу схемы.Figure 1 shows a diagram of the Converter; on figa-e - diagrams of voltages, currents and control signals characterizing the operation of the circuit.

Преобразователь (фиг.1) состоит из трансформатора 1 (первичная обмотка не показана) с вторичными фазными обмотками ао, во, со, соединенными в звезду. Каждая фазная обмотка трансформатора 1 соединена со средней точкой одной из обмоток уравнительного реактора 2, выполненного в виде трех одинаковых обмоток, расположенных на одном магнитопроводе. Так обмотка ао трансформатора 1, зажимом “а” соединена со средней точкой о₁ обмотки a₁x₁ уравнительного реактора 2, обмотка “во” - с зажимом о₂ обмотки а₂х₂, уравнительного реактора, а средняя точка о₃ обмотки a₃x₃ реактора соединена с зажимом “с” обмотки “со” трансформатора. Выводы a₁х₁ уравнительного реактора 2 соединены с одноименными электродами, например анодами соответственно управляемых вентильных элементов, например тиристоров 3 и 4. Аналогично а₂x₂ - с анодами тиристоров 5, 6 и a₃x₃ - с анодами тиристоров 7, 8. Катоды тиристоров 3-8 соединены между собой и образуют один из выходных зажимов преобразователя. Между этим зажимом и вторым - точкой о включена нагрузка 9, состоящая, например из резистора R и индуктивности L.The Converter (figure 1) consists of a transformer 1 (the primary winding is not shown) with secondary phase windings ao, in, with connected to a star. Each phase winding of the transformer 1 is connected to the midpoint of one of the windings of the equalization reactor 2, made in the form of three identical windings located on the same magnetic circuit. So the winding ao transformer 1, clamp “a” is connected to the midpoint about ₁ winding a ₁ x ₁ equalizing reactor 2, winding “in” - with clamp about ₂ windings a ₂ x ₂ , balancing reactor, and the middle point about ₃ winding a ₃ x _{3 of the} reactor is connected to the clamp “c” of the transformer winding “co”. Conclusions a ₁ x _{1 of} equalization reactor 2 are connected to electrodes of the same name, for example, anodes of respectively controlled valve elements, for example, thyristors 3 and 4. Similarly, a ₂ x ₂ - with anodes of thyristors 5, 6 and a ₃ x ₃ - with anodes of thyristors 7, 8 The cathodes of thyristors 3-8 are interconnected and form one of the output terminals of the converter. Between this clamp and the second point o, a load 9 is connected, consisting, for example, of resistor R and inductance L.

Работа преобразователя происходит в соответствии с диаграммами фиг.2 а-г и управляющими сигналами, например импульсами фиг.2 д, е. Например, начиная с момента времени t=0, ток нагрузки I_d проводит продолжающий работать управляемый вентильный элемент 8 и вновь вступающий в работу после подачи сигнала управления управляемый вентильный элемент 3 фиг.2 а, в-д. Это обусловлено тем, что напряжение половины обмотки o₃x₃ уравнительного реактора 2 вычитается из э.д.с. e_c вторичной фазной обмотки ос, а э.д.с. половины обмотки а₁о₁ реактора добавляется к э.д.с. e_a (фиг.2 а, б). С момента времени t₁ э.д.с. е_c становится меньше э.д.с. e_в фазы ов, и управляемый вентильный элемент 8 заканчивает работу. В этот же момент t₁управляющим сигналом включается вентильный элемент 6 и ток нагрузки I_dбудет протекать через вентильный элемент 3 и элемент 6 и соответствующие половины обмоток уравнительного реактора 2. В момент времени t₂ вентильный элемент 3 заканчивает работу, и управляющим сигналом включается вентильный элемент 7. Начиная с момента t₂ к вентильному элементу 3 будет приложено: обратное напряжение на интервале t₂-Т+Δt₁, прямое напряжение на интервале (Т+Δt₁, t₃) и вновь обратное напряжение на интервале t $\binom{1}{3}$ -2T (фиг.2 г). Следует отметить, что обратное напряжение обусловлено как линейным напряжением вторичных обмоток трансформатора 1, так и напряжением на обмотках уравнительного реактора 2. Прямое напряжение на элементе 3 обусловлено напряжением всей обмотки a₁x₁ уравнительного реактора, на интервале работы вентильного элемента 4 после включения его импульсом (фиг.2 е) в момент времени Т, равный периоду. В дальнейшем порядок вступления в работу управляемых вентильных элементов при активно-индуктивной нагрузке и полностью сглаженном токе нагрузки происходит в соответствии с управляющими сигналами u_y (например, u₃ - управляющий сигнал для тиристора 3 и т.д.) фиг.2 д, е и диаграммами фиг.2 а, в. При этом каждый вентильный элемент проводит половину тока нагрузки I_d/2 (фиг.2 в, г) при длительности анодного тока i_a, равной 2/3 периода (240 эл. град.). Напряжение на нагрузке 9 u_d выделено жирной линией на фиг.2 а, где также показано напряжение на всей обмотке a₁x₁ уравнительного реактора 2 заштрихованными линиями. Закон изменения напряжения u_p на половине обмотки уравнительного реактора приведен на фиг.2 б. Как следует из фиг.2 б частота напряжения на уравнительном реакторе является полуторакратной по отношению к частоте питающей сети.Work converter occurs according to the diagrams of Figure 2 a-d and the control signals, for example 2, pulses d, e. For example, starting at time t = 0, the load current I _d conducts continuing work controllable valve element 8 and again enters in operation after a control signal is supplied, the controllable valve element 3 of FIG. 2 a, c-d. This is due to the fact that the voltage of half the winding o ₃ x _{3 of} equalization reactor 2 is subtracted from the emf e _{c is the} secondary phase winding of the wasps, and the emf half of the winding and ₁ about ₁ reactor is added to the emf e _a (Fig.2 a, b). From the moment of time t ₁ emf e _c becomes less emf e _in phase s, and the controllable valve element 8 terminates. At the same time t _{1, the} control element 6 is turned _{on by the} control signal and the load current I _d will flow through the valve element 3 and the element 6 and the corresponding halves of the equalization reactor 2. At time t _{2, the} valve element 3 ends and the control signal turns on element 7. Starting from time t _2, the valve element 3 will be applied: reverse voltage in the interval t ₂ -T + Δt ₁ , forward voltage in the interval (T + Δt ₁ , t ₃ ) and again the reverse voltage in the interval t $\binom{1}{3}$ -2T (Fig. 2 g). It should be noted that the reverse voltage is caused by both the linear voltage of the secondary windings of the transformer 1 and the voltage on the windings of the equalization reactor 2. The direct voltage on element 3 is due to the voltage of the entire winding a ₁ x _{1 of the} equalization reactor, in the interval of operation of the valve element 4 after switching it on by a pulse (Fig.2 e) at time T equal to the period. In the future, the order of entry into operation of the controlled valve elements with an active-inductive load and a completely smoothed load current occurs in accordance with the control signals u _y (for example, u ₃ is the control signal for thyristor 3, etc.) Fig. 2 e, e and diagrams of FIG. 2 a, c. At the same time, each valve element conducts half the load current I _d / 2 (Fig.2 c, d) with an anode current duration of i _a equal to 2/3 of the period (240 electric degrees). The voltage at the load 9 u _{d is} shown in bold in FIG. 2 a, which also shows the voltage across the entire winding a ₁ x _{1 of the} equalization reactor 2 with shaded lines. The law of change of voltage u _p on half the winding of the surge reactor is shown in Fig.2 b. As follows from FIG. 2 b, the voltage frequency at the equalization reactor is one and a half times with respect to the frequency of the supply network.

Способ управления преобразователя заключается в подаче управляющих импульсов (фиг.2 д, е) со сдвигом на 1/3 периода при отрицательных мгновенных значениях фазных э.д.с. в точку естественной коммутации, если не требуется регулирования. Причем на каждый из тиристоров импульс подается один раз за два периода. Так, например, в момент времени t₁ (фиг.2 a), соответствующий точке естественной коммутации фаз “с” и “в” импульс u₆подается на тиристор 6 только один раз за два периода.The control method of the Converter consists in the supply of control pulses (Fig.2 d, f) with a shift of 1/3 of the period with negative instantaneous values of the phase emf. to the point of natural switching if regulation is not required. Moreover, for each of the thyristors, a pulse is applied once in two periods. So, for example, at time t ₁ (Fig. 2 a), corresponding to the point of natural switching of phases “c” and “c”, pulse u ₆ is supplied to thyristor 6 only once in two periods.

Таким образом, преобразователь обеспечивает параллельную работу двух фазных обмоток трансформатора и двух вентильных элементов в трехфазной нулевой схеме при протекании по ним тока, равного половине тока нагрузки I_d/2 и длительности 2/3 периода (240 эл. град.), что не достигалось ни в одной схеме выпрямления. Улучшение коэффициента формы тока вентильного элемента за счет увеличения длительности протекания его до 240 эл. град., параллельная одновременная работа двух обмоток и вентильных элементов создают положительный эффект и расширяют возможности применения одной из самых простых схем преобразования трехфазного переменного напряжения в постоянное - трехфазной нулевой схеме при предложенном способе управления.Thus, the converter provides parallel operation of two phase windings of the transformer and two valve elements in a three-phase zero circuit with a current flowing through them equal to half the load current I _d / 2 and duration 2/3 of a period (240 el. Degrees), which was not achieved in no straightening scheme. Improving the current shape coefficient of the valve element by increasing the duration of its flow to 240 e. hail., parallel simultaneous operation of two windings and valve elements create a positive effect and expand the possibilities of using one of the simplest schemes for converting a three-phase alternating voltage to constant - a three-phase zero circuit with the proposed control method.

Производилось моделирование устройства фиг.1 в программе Electronics Worckbench. Моделирование подтвердило работоспособность устройства в соответствии с диаграммами фиг.2, а-е.The simulation of the device of figure 1 in the program Electronics Worckbench. The simulation confirmed the operability of the device in accordance with the diagrams of figure 2, a-e.

Claims

1. A three-phase AC to DC converter comprising a three-phase transformer, the secondary phase windings of which are connected to a star, and valve elements, characterized in that it is equipped with a three-winding equalization reactor made in the form of three identical windings located on one magnetic circuit, each secondary phase the winding of a three-phase transformer is connected to the midpoint of the corresponding winding of the equalization reactor, each of the windings of which is connected to the same terminals ennym electrodes of respective controllable rectifier elements, other electrodes are connected with similar electrodes of all other controllable valve elements forming one of the output terminals, the second output terminal is zero point.

2. A method of controlling a three-phase AC to DC converter by supplying control signals to controlled valve elements with a 1/3 period shift, characterized in that the control signals, for example pulses, in the absence of regulation, are supplied at negative instantaneous values of phase emfs, each from controlled valve elements, the control signal is supplied once in two periods.