RU2310969C1

RU2310969C1 - Four quadrant transformer (variant)

Info

Publication number: RU2310969C1
Application number: RU2006118598/09A
Authority: RU
Inventors: Константин Павлович Солтус (RU); Константин Павлович Солтус
Priority date: 2006-05-29
Filing date: 2006-05-29
Publication date: 2007-11-20

Abstract

FIELD: electric engineering, possible use as voltage transformer for powering alternating current electric machines.

SUBSTANCE: four quadrant transformer contains one-phased transformer, controllable semiconductor bridge, network inductor, smoothing capacitor and rejecter LC-filter. A load is coupled in parallel at the output of aforementioned bridge. Two additional network inductors may be installed in four-quadrant transformer serially with the network inductor. Nominal inductivity of first additional inductor does not exceed the nominal inductivity of the network inductor. Nominal inductivity of the second additional inductor does not exceed the nominal inductivity of the first additional inductor. Total inductivity of all inductors at maximal current has value not below the maximal inductivity of the network inductor. Connection of additional network inductors to the main network inductor and to semiconductor bridge is realized by contacts of bipolar two-positional switch. Additional network inductors may be connected to the main inductor in parallel via the existing normally open key. In that case, the nominal inductivity of one additional inductor is below the nominal inductivity of the network inductor, and the nominal inductivity of the second additional inductor is below the nominal inductivity of the first additional inductor.

EFFECT: increased efficiency of the four-quadrant transformer due to reduced energy losses in network inductors, simplified voltage control due to setup of operation with linear and more monotonous dependence of voltage drop in inductance of input circuit on the load current.

2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электроприводу электроподвижного состава переменного тока и предназначено, в частности, для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока.The invention relates to electrical engineering, in particular to an electric drive of electric rolling stock of alternating current, and is intended, in particular, to convert alternating current energy into direct current energy.

Известны различные схемные решения четырехквадрантного преобразователя (далее 4QS), содержащего однофазный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к зажимам переменного тока, а вторичная обмотка подключена в диагональ управляемого полупроводникового моста, сглаживающий конденсатор и режекторный индуктивно-емкостной фильтр на выходе упомянутого моста, параллельно которым подключена нагрузка (Патенты ФРГ № 2159397, МПК Н02М 1/12 и № 2217023, МПК Н02М 1/12).Various circuit designs are known for a four-quadrant converter (hereinafter referred to as 4QS), comprising a single-phase transformer, the primary winding of which is connected to the AC terminals, and the secondary winding is connected to the diagonal of the controlled semiconductor bridge, a smoothing capacitor and a notch inductive-capacitive filter at the output of the bridge, in parallel with which is connected load (Patents of Germany No. 2159397, IPC Н02М 1/12 and No. 2217023, IPC Н02М 1/12).

Сложностью указанных преобразователей является необходимость использования силового трансформатора с высоким напряжением короткого замыкания и дросселя, обладающего значительной индуктивностью рассеяния для сглаживания пульсаций сетевого тока. Кроме того, характеристика сетевого дросселя - зависимость индуктивности рассеяния от протекающего через дроссель тока должна обеспечивать заданные выходные параметры преобразователя при любой нагрузке, что в общем случае отрицательно сказывается на кпд и габаритах дросселя.The complexity of these converters is the need to use a power transformer with a high voltage short circuit and a choke, which has a significant leakage inductance to smooth out ripples of the mains current. In addition, the characteristic of the line reactor - the dependence of the leakage inductance on the current flowing through the reactor, must provide the given output parameters of the converter at any load, which in the general case negatively affects the efficiency and dimensions of the reactor.

Наиболее близким по технической сущности является четырехквадрантный преобразователь, содержащий однофазный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к зажимам переменного тока, а зажимы вторичной обмотки подключены в диагональ управляемого полупроводникового моста, сглаживающий конденсатор и режекторный LC-фильтр на выходе упомянутого моста, параллельно которым подключена нагрузка. В качестве вентилей упомянутого полупроводникового моста использованы преимущественно биполярные транзисторы с изолированным затвором. Кроме того, четырехквадрантный преобразователь содержит дроссель, подключенный между одним из зажимов вторичной обмотки и полупроводниковым мостом (А.Г.Вольвич, В.П.Янов. Преобразователи современных тяговых единиц. Электровозостроение: Сб. научных трудов ОАО "Всерос. н-и и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения" (ОАО "ВЭлНИИ"). - 1999. - Т.41. - С.73).The closest in technical essence is a four-quadrant converter containing a single-phase transformer, the primary winding of which is connected to AC terminals, and the terminals of the secondary winding are connected to the diagonal of a controlled semiconductor bridge, a smoothing capacitor and a notch LC filter at the output of the mentioned bridge, in parallel with which the load is connected. As valves of the aforementioned semiconductor bridge, mainly insulated gate bipolar transistors are used. In addition, the four-quadrant converter contains a choke connected between one of the terminals of the secondary winding and a semiconductor bridge (A.G. Volvich, V.P. Yanov. Converters of modern traction units. Electric locomotive construction: Collection of scientific papers of All-Russian Science and Technology OJSC design and construction institute of electric locomotive building "(JSC" VELNII "). - 1999. - T.41. - P.73).

Указанному преобразователю присущи недостатки представленных аналогов. При использовании на современном электроподвижном составе большой мощности такой преобразователь накладывает сложности на процесс регулирования заданных электрических параметров, в частности выходного напряжения. Специфика такого преобразователя обусловлена жесткими требованиями к потерям энергии в реактивных элементах и их тепловому режиму, т.е. приводит, в частности, к необходимости полного использования дросселя по току.The specified Converter inherent disadvantages of the presented analogues. When using high power on a modern electric rolling stock, such a converter imposes difficulties on the process of regulating predetermined electrical parameters, in particular, the output voltage. The specificity of such a converter is due to stringent requirements for energy losses in reactive elements and their thermal regime, i.e. leads, in particular, to the need for full use of the current reactor.

В частности, регулирование выходного напряжения преобразователя обеспечивается вследствие падения напряжения на входной индуктивности, которое, складываясь с эдс трансформатора, повышает напряжение на входе четырехквадрантного преобразователя. С ростом тока нагрузки падение индуктивного напряжения входной цепи изменяется нелинейно, исходя из характера зависимости индуктивности дросселя от тока (фиг.1, например, зависимость L₁ (I)). При высоких нагрузках падение напряжения может быть недостаточным для достижения регулируемых параметров. Применение же дросселя с неизменной характеристикой индуктивности при изменении тока нагрузки приведет к несоблюдению оптимальности конструкции и дополнительным электрическим потерям сетевого дросселя, так как одной из мер, направленной на повышение начальной индуктивности дросселя в электроаппаратостроении, является увеличение воздушного зазора магнитопровода, отказ от использования железа в конструкции дросселя. При этом на участках работы с избыточным падением напряжения на индуктивности входной цепи требуется дополнительная модуляция напряжения, характер которой, исходя из нелинейной характеристики входной индуктивности, будет также нелинейный. Это накладывает дополнительные сложности в определении требуемой модуляции напряжения при изменении нагрузки, усложняет систему управления преобразователя, ухудшает регулирование преобразуемой энергии и приводит к излишним коммутационным потерям в силовых полупроводниковых приборах преобразователя.In particular, the regulation of the output voltage of the converter is provided due to the voltage drop at the input inductance, which, when added to the transformer emf, increases the voltage at the input of the four-quadrant converter. With increasing load current, the drop in the inductive voltage of the input circuit changes nonlinearly, based on the nature of the dependence of the inductance of the inductor on the current (Fig. 1, for example, the dependence of L ₁ (I)). At high loads, the voltage drop may not be sufficient to achieve adjustable parameters. The use of a choke with a constant inductance characteristic when changing the load current will lead to non-compliance with the design optimality and additional electric losses of the line choke, since one of the measures aimed at increasing the initial inductance of the choke in electrical equipment is to increase the air gap of the magnetic circuit, and to refuse to use iron in the structure throttle. Moreover, in areas of work with an excessive voltage drop across the input circuit inductance, additional voltage modulation is required, the nature of which, based on the non-linear characteristic of the input inductance, will also be non-linear. This imposes additional difficulties in determining the required voltage modulation when the load changes, complicates the control system of the converter, impairs the regulation of the converted energy and leads to excessive switching losses in the power semiconductor devices of the converter.

Задачей изобретения является разработка четырехквадрантного преобразователя, обеспечивающего снижение электрических потерь в сетевом дросселе за счет реализации оптимальных значений индуктивности входной цепи преобразователя. При этом способы достижения требуемой характеристики дросселя с точки зрения электроаппаратостроения не существенны для данного изобретения.The objective of the invention is to develop a four-quadrant converter, which reduces electric losses in the line reactor due to the implementation of the optimal values of the inductance of the input circuit of the converter. Moreover, the methods for achieving the required characteristics of the throttle from the point of view of electrical engineering are not essential for this invention.

Поставленная задача решена двумя вариантами четырехквадрантных преобразователей.The problem is solved by two options for quadrant converters.

Поставленная задача решается тем, что исходя из первого варианта известный четырехквадрантный преобразователь, содержащий однофазный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к зажимам переменного тока, а зажимы вторичной обмотки подключены в диагональ управляемого полупроводникового моста, образованного силовыми полупроводниковыми приборами, предпочтительно биполярными транзисторами с изолированным затвором, дроссель, подключенный к одному из зажимов вторичной обмотки, сглаживающий конденсатор и режекторный LC-фильтр, образованный последовательным соединением катушки индуктивности и конденсатора, на выходе упомянутого моста параллельно подключена нагрузка, дополнительно снабжен последовательно соединенными с сетевым дросселем двумя добавочными сетевыми дросселями, номинальная индуктивность первого из которых не превышает номинальной индуктивности сетевого дросселя, а номинальная индуктивность второго добавочного дросселя не превышает номинальной индуктивности первого добавочного дросселя. При этом суммарная индуктивность всех дросселей при максимальном токе имеет значение не ниже максимальной индуктивности сетевого дросселя. Кроме того, между основным сетевым дросселем и первым дополнительным сетевым дросселем подключена нормально открытая контактная группа двухполюсного двухпозиционного переключателя. Нормально закрытая контактная группа упомянутого переключателя подключена подвижным контактом к выходу основного сетевого дросселя, а неподвижным контактом к выходу первого дополнительного сетевого дросселя и к подвижному контакту нормально закрытой контактной группы второго двухпозиционного переключателя, у которого нормально открытая контактная группа подключена между дополнительными сетевыми дросселями, а неподвижный контакт нормально закрытой контактной группы подключен между вторым дополнительным сетевым дросселем и полупроводниковым мостом.The problem is solved in that, based on the first embodiment, the known four-quadrant converter containing a single-phase transformer, the primary winding of which is connected to AC terminals, and the terminals of the secondary winding are connected to the diagonal of a controlled semiconductor bridge formed by power semiconductor devices, preferably bipolar transistors with an insulated gate, a choke connected to one of the terminals of the secondary winding, a smoothing capacitor and a notch LC filter formed by the series connection of the inductor and capacitor, the load is connected in parallel at the output of the bridge, it is additionally equipped with two additional line reactors connected in series with the line reactor, the first inductance of which does not exceed the line inductance and the second line inductance does not exceed the nominal inductance of the first auxiliary choke. In this case, the total inductance of all inductors at maximum current has a value not lower than the maximum inductance of the line reactor. In addition, a normally open contact group of a two-pole two-position switch is connected between the main line reactor and the first additional line reactor. The normally closed contact group of the said switch is connected by a movable contact to the output of the main line reactor, and by a fixed contact to the output of the first additional line reactor and by the movable contact of the normally closed contact group of the second on-off switch, in which the normally open contact group is connected between the additional line chokes, and the fixed a normally closed contact group contact is connected between the second additional line choke and the floor conductor bridge.

По второму варианту известный четырехквадрантный преобразователь, содержащий однофазный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к зажимам переменного тока, а зажимы вторичной обмотки подключены в диагональ управляемого полупроводникового моста, образованного силовыми полупроводниковыми приборами, предпочтительно биполярными транзисторами с изолированным затвором, дроссель, подключенный к одному из зажимов вторичной обмотки, сглаживающий конденсатор и режекторный LC-фильтр на выходе упомянутого моста, параллельно которым подключена нагрузка, дополнительно снабжен, преимущественно, двумя добавочными сетевыми дросселями, параллельно подключенными с основным сетевым дросселем. Номинальная индуктивность одного из добавочных дросселей ниже номинальной индуктивности сетевого дросселя, а номинальная индуктивность второго добавочного дросселя ниже номинальной индуктивности первого добавочного дросселя, причем перед каждым из параллельно соединенных дросселей подключен нормально открытый ключ для подключения соответствующего дросселя в цепь нагрузки.According to the second embodiment, the known four-quadrant converter comprising a single-phase transformer, the primary winding of which is connected to AC terminals, and the terminals of the secondary winding are connected to the diagonal of a controlled semiconductor bridge formed by power semiconductor devices, preferably bipolar transistors with an insulated gate, a choke connected to one of the terminals secondary winding, smoothing capacitor and notch LC filter at the output of the aforementioned bridge, parallel to orym connected load, further provided with a, preferably, two additional line choke, connected in parallel with the main line reactor. The nominal inductance of one of the auxiliary reactors is lower than the nominal inductance of the line reactor, and the nominal inductance of the second additional reactor is lower than the nominal inductance of the first additional inductor, and a normally open switch is connected in front of each of the inductors connected in parallel to connect the corresponding inductor to the load circuit.

Положительный эффект предлагаемых изобретений состоит в следующем. При использовании в 4QS одного сетевого дросселя значение индуктивности которого является неизменным во всем диапазоне рабочих значений сетевого тока, его масса и габариты являются чрезвычайно высокими и пропорциональными произведению приведенной индуктивности рассеяния входной цепи на квадрат сетевого тока дросселя Li². При этом электрические потери такого дросселя в массивном магнитопроводе и обмотке также являются повышенными, причем при работе дросселя с малой нагрузкой (ниже номинальной) такой мощный дроссель избыточен.The positive effect of the proposed invention is as follows. When using a single line choke in 4QS, the inductance value of which is constant over the entire range of operating values of the mains current, its mass and dimensions are extremely high and proportional to the product of the reduced input circuit scattering inductance by the square of the mains current of the Li ² inductor. Moreover, the electric losses of such a inductor in a massive magnetic circuit and winding are also increased, and when the inductor operates with a small load (below the rated load), such a powerful inductor is redundant.

Поэтому целесообразно требуемое значение падения напряжения на индуктивности входной цепи обеспечивать поэтапным подключением дросселей с ростом нагрузки, причем каждый последующий вводимый во входную цепь дроссель должен иметь меньшую номинальную индуктивность, но больший расчетный ток, чем предыдущий подключенный дроссель. Такой преобразователь обеспечит более линейное изменение падения напряжения на индуктивности входной цепи с ростом нагрузки, что улучшает процесс регулирования заданного выходного напряжения 4QS, чем при использовании 4QS с одним сетевым дросселем или вовсе без него, используя только индуктивность силового трансформатора.Therefore, it is advisable to provide the required value of the voltage drop across the input circuit inductance with phased connection of the reactors with increasing load, and each subsequent inductor introduced into the input circuit should have a lower rated inductance, but a larger rated current than the previous connected inductor. Such a converter will provide a more linear change in the voltage drop across the inductance of the input circuit with increasing load, which improves the process of regulating a given 4QS output voltage than when using 4QS with or without a single line choke, using only the power transformer inductance.

При реализации предлагаемого преобразователя среднеэксплуатационные потери энергии входных дросселей за определенный период работы 4QS будут заведомо ниже, чем при использовании одного сетевого дросселя эквивалентной индуктивности во всем диапазоне работы.When implementing the proposed converter, the average operational energy losses of the input chokes for a certain period of 4QS operation will be obviously lower than when using one network choke of equivalent inductance in the entire range of operation.

Дополнительно, при реализации преобразователя по второму варианту при определенных параметрах возможно расширение ступеней индуктивности путем одновременного подключения сетевых дросселей с учетом того, что эквивалентная индуктивность параллельно подключенных дросселей всегда меньше меньшей из них, то есть

Additionally, when implementing the converter according to the second embodiment, with certain parameters, it is possible to expand the inductance stages by simultaneously connecting the line chokes, taking into account that the equivalent inductance of the parallel-connected chokes is always less than the smaller of them, i.e.

где L₁, L₂ - индуктивности, например, первого и второго добавочных дросселей 18 и 20.where L ₁ , L ₂ - inductance, for example, the first and second additional chokes 18 and 20.

Новым в предлагаемом техническом решении, в отличие от прототипа, является то, что четырехквадрантный преобразователь позволяет упростить процессы регулирования напряжения за счет организации работы с линейной и более монотонной зависимостью падения напряжения в индуктивности входной цепи от тока нагрузки, а также снизить потери энергии в сетевых дросселях.New in the proposed technical solution, in contrast to the prototype, is that a four-quadrant converter can simplify voltage regulation processes by organizing work with a linear and more monotonic dependence of the voltage drop in the input circuit inductance on the load current, as well as reduce energy losses in line reactors .

Сказанное позволяет сделать вывод о причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом.The foregoing allows us to conclude that there is a causal relationship between the totality of essential features and the achieved technical result.

На приложенных к описанию чертежах показано:The drawings attached to the description show:

на фиг.1 - зависимости индуктивности дросселя от тока;figure 1 - dependence of the inductance of the inductor on the current;

на фиг.2 - первый вариант схемы четырехквадрантного преобразователя;figure 2 is a first variant of a four-quadrant converter circuit;

на фиг.3 - второй вариант схемы четырехквадрантного преобразователя;figure 3 is a second variant of a four-quadrant converter circuit;

на фиг.4 - диаграмма формирования постоянной индуктивности входной цепи 4QS;figure 4 is a diagram of the formation of a constant inductance of the input circuit 4QS;

на фиг.5 - осциллограмма регулируемого напряжения при подключении дополнительных дросселей.figure 5 - waveform of the adjustable voltage when connecting additional reactors.

Четырехквадрантный преобразователь по первому варианту содержит однофазный трансформатор 3, первичная обмотка которого подключена к зажимам переменного тока 1 и 2, а зажимы вторичной обмотки трансформатора 3 подключены в диагональ управляемого полупроводникового моста, образованного силовыми полупроводниковыми приборами 5-8, предпочтительно биполярными транзисторами с изолированным затвором, дроссель 4, подключенный к одному из зажимов вторичной обмотки трансформатора 3, сглаживающий конденсатор 9 и режекторный LC-фильтр, образованный последовательным соединением катушки индуктивности 10 и конденсатора 11. На выходе упомянутого моста параллельно подключена нагрузка 12. Последовательно с сетевым дросселем 4 установлено два добавочных сетевых дросселя 14 и 16. Номинальная индуктивность первого добавочного дросселя 14 не превышает номинальной индуктивности сетевого дросселя 4, а номинальная индуктивность второго добавочного дросселя 16 не превышает номинальной индуктивности первого добавочного дросселя 4. При этом суммарная индуктивность всех дросселей 4, 14 и 16 при максимальном токе имеет значение не ниже максимальной индуктивности сетевого дросселя 4. Кроме того, между основным сетевым дросселем 4 и первым дополнительным сетевым дросселем 14 подключена нормально открытая контактная группа двухполюсного двухпозиционного переключателя 13. Нормально закрытая контактная группа упомянутого переключателя 13 подключена подвижным контактом к выходу основного сетевого дросселя 4, а неподвижным контактом к выходу первого дополнительного сетевого дросселя 14 и к подвижному контакту нормально закрытой контактной группы второго двухпозиционного переключателя 15, у которого нормально открытая контактная группа подключена между дополнительными сетевыми дросселями 14 и 16, а неподвижный контакт нормально закрытой контактной группы подключен между вторым дополнительным сетевым дросселем 16 и полупроводниковым мостом преобразователя.The four-quadrant converter according to the first embodiment comprises a single-phase transformer 3, the primary winding of which is connected to the AC terminals 1 and 2, and the terminals of the secondary winding of the transformer 3 are connected to the diagonal of the controlled semiconductor bridge formed by power semiconductor devices 5-8, preferably bipolar transistors with an insulated gate, a choke 4 connected to one of the terminals of the secondary winding of the transformer 3, a smoothing capacitor 9 and a notch LC filter formed a series connection of the inductor 10 and the capacitor 11. At the output of the mentioned bridge, a load 12 is connected in parallel. Two additional network chokes 14 and 16 are installed in series with the line reactor 4. The nominal inductance of the first additional reactor 14 does not exceed the nominal inductance of the line reactor 4, and the nominal inductance of the second additional inductor 16 does not exceed the nominal inductance of the first additional inductor 4. Moreover, the total inductance of all inductors 4, 14 and 16 at maximum current value is not lower than the maximum inductance of the line reactor 4. In addition, between the main line reactor 4 and the first additional line reactor 14, a normally open contact group of a two-pole two-position switch 13 is connected. A normally closed contact group of said switch 13 is connected by a movable contact to the output of the main network throttle 4, and a fixed contact to the output of the first additional network choke 14 and to the movable contact of the normally closed contact uppy second on-off switch 15, which normally open contact group is connected between the extra line chokes 14 and 16 and the fixed contact is normally closed contact group is connected between said second additional line choke 16 and a semiconductor bridge converter.

Четырехквадрантный преобразователь по второму варианту содержит однофазный трансформатор 3, первичная обмотка которого подключена к зажимам переменного тока 1 и 2, а зажимы вторичной обмотки трансформатора 3 подключены в диагональ управляемого полупроводникового моста, образованного силовыми полупроводниковыми приборами 5-8, предпочтительно биполярными транзисторами с изолированным затвором, сетевой дроссель 4, подключенный к одному из зажимов вторичной обмотки трансформатора 3, сглаживающий конденсатор 9 и режекторный LC-фильтр, образованный последовательным соединением катушки индуктивности 10 и конденсатора 11. На выходе упомянутого моста параллельно подключена нагрузка 12. Параллельно сетевому дросселю 4 включены, преимущественно, два добавочных сетевых дросселя 18 и 20. Номинальная индуктивность первого добавочного дросселя 18 ниже номинальной индуктивности сетевого дросселя 4, а номинальная индуктивность второго добавочного дросселя 20 ниже номинальной индуктивности первого добавочного дросселя 4. Перед каждым из параллельно соединенных дросселей 18 и 20 подключен нормально открытый ключ для подключения соответствующего дросселя в цепь нагрузки. Перед первым добавочным дросселем 18 установлен нормально открытый ключ 19. Перед вторым добавочным дросселем 20 установлен нормально открытый ключ 21.The four-quadrant converter according to the second embodiment contains a single-phase transformer 3, the primary winding of which is connected to the AC terminals 1 and 2, and the terminals of the secondary winding of the transformer 3 are connected to the diagonal of the controlled semiconductor bridge formed by power semiconductor devices 5-8, preferably bipolar transistors with an insulated gate, a line choke 4 connected to one of the terminals of the secondary winding of the transformer 3, a smoothing capacitor 9 and a notch LC filter, image A series connection of an inductor 10 and a capacitor 11. At the output of the aforementioned bridge, a load 12 is connected in parallel. Parallel to the line reactor 4, mainly two additional line reactors 18 and 20 are connected. The nominal inductance of the first additional reactor 18 is lower than the nominal inductance of the line reactor 4, and the nominal the inductance of the second auxiliary choke 20 is lower than the nominal inductance of the first additional choke 4. In front of each of the parallel-connected chokes 18 and 20 is connected to A normally open switch for connecting the corresponding inductor to the load circuit. A normally open key 19 is installed in front of the first additional choke 18. A normally open key 21 is installed in front of the second additional choke 20.

В качестве биполярных транзисторов с изолированным затвором 5-8 по каждому из вариантов преобразователей могут быть использованы, например, силовые IGBT модули типа MBN1200D33, содержащие в общем корпусе биполярный транзистор с изолированным затвором со встречно-параллельно подключенным к нему диодом (каталог продукции фирмы HITACHI).As insulated gate bipolar transistors 5-8 for each of the converter options, for example, MBN1200D33 type IGBT power modules containing an isolated gate bipolar transistor with an in-parallel diode connected to it can be used in the common housing (HITACHI product catalog) .

Четырехквадрантный преобразователь по первому варианту работает следующим образом. Преобразование и регулирование энергии переменного тока, приложенной к зажимам 1 и 2 переменного тока через силовой трансформатор 3, осуществляется коммутацией силовых полупроводниковых вентилей 5-8 с заданным алгоритмом управления. Падение напряжения на дросселе 4, складываясь с эдс вторичной обмотки трансформатора 3, выпрямляясь и регулируясь вентилями 5-8, поддерживается на параллельно включенном конденсаторе 9 стабильным. Последовательно соединенные дроссель 10 и конденсатор 11, образующие LC-фильтр второй гармоники выпрямленного тока (режекторный фильтр), включены параллельно нагрузке 12. При токе нагрузки ниже номинального значения рост падения напряжения на дросселе 4 пропорционален изменению тока нагрузки. При токе нагрузки свыше номинального значения индуктивность дросселя снижается, а соответственно снижается и падение напряжения на дросселе. В этот момент подключают первый дополнительный дроссель 14 ключом 13, чем увеличивают входную индуктивность. При этом избыточное падение напряжения, в случае его появления, компенсируют изменением модуляции напряжения вентилями 5-8. При дальнейшем росте нагрузки подключают второй дополнительный сетевой дроссель 16 ключом 15 и падение напряжения на входной индуктивности соответственно увеличивается. Как и в первом случае, избыточное падение напряжения, при его наличии, компенсируют изменением модуляции напряжения вентилями 5-8 до момента достижения заданного значения.Four-quadrant Converter according to the first embodiment works as follows. The conversion and regulation of AC energy applied to the terminals 1 and 2 of the alternating current through a power transformer 3 is carried out by switching power semiconductor valves 5-8 with a given control algorithm. The voltage drop across the inductor 4, folding with the emf of the secondary winding of the transformer 3, rectified and regulated by valves 5-8, is kept stable on the parallel connected capacitor 9. The series-connected inductor 10 and capacitor 11, which form the LC filter of the second harmonic of the rectified current (notch filter), are connected in parallel with load 12. At a load current below the rated value, the increase in voltage drop across the inductor 4 is proportional to the change in the load current. When the load current exceeds the rated value, the inductance of the inductor decreases, and accordingly the voltage drop across the inductor decreases. At this moment, connect the first additional inductor 14 with a key 13, which increases the input inductance. In this case, the excess voltage drop, in case of its occurrence, is compensated by the change in voltage modulation by valves 5-8. With a further increase in load, a second additional line reactor 16 is connected with key 15 and the voltage drop across the input inductance increases accordingly. As in the first case, the excess voltage drop, if any, is compensated by the change in voltage modulation by valves 5-8 until the specified value is reached.

Четырехквадрантный преобразователь по второму варианту работает следующим образом. Преобразование и регулирование энергии переменного тока, приложенной к зажимам 1 и 2 переменного тока через понижающий трансформатор 3, осуществляется коммутацией силовых полупроводниковых вентилей 5-8 по заданному способу управления. Запуск преобразователя с малых нагрузок начинают с подключенным вторым дополнительным сетевым дросселем 20, имеющим наименьшую индуктивность в сравнении с остальными дросселями 4 и 18. Подключение дросселя 20 выполняют замыканием ключа 21. Напряжение на входе преобразователя, равное сумме падения напряжения на дросселе 20, и эдс вторичной обмотки трансформатора 3, после выпрямления вентилями 5-8, поддерживаются на параллельно включенном конденсаторе 9 стабильными. Последовательно соединенные дроссель 10 и конденсатор 11, образующие LC-фильтр второй гармоники выпрямленного тока, включены параллельно нагрузке 12. При токе нагрузки ниже номинального значения рост падения напряжения на дросселе 20 пропорционален изменению тока нагрузки. При токе нагрузки свыше номинального значения индуктивность дросселя 20 снижается, а соответственно снижается и падение напряжения на дросселе 20. В этот момент подключают первый дополнительный дроссель 18 ключом 19, а сетевой дроссель 20 отключают ключом 21, чем увеличивают входную индуктивность. При этом избыточное падение напряжения на индуктивности входной цепи, в случае его появления, компенсируют изменением модуляции напряжения вентилями 5-8. При дальнейшем росте нагрузки подключают основной сетевой дроссель 4 ключом 17 и падение напряжения на индуктивности входной цепи соответственно увеличивается. Как и в первом случае, избыточное падение напряжения, при его наличии, компенсируют изменением модуляции напряжения вентилями 5-8 до момента достижения заданного значения.Four-quadrant Converter according to the second embodiment works as follows. The conversion and regulation of AC energy applied to the terminals 1 and 2 of the alternating current through a step-down transformer 3 is carried out by switching power semiconductor valves 5-8 according to a given control method. Starting the converter with low loads begins with the second additional line reactor 20 connected, having the lowest inductance compared to the other reactors 4 and 18. Connecting the reactor 20 is done by closing the key 21. The voltage at the converter input, equal to the sum of the voltage drop across the inductor 20, and the emf are secondary windings of the transformer 3, after rectification by valves 5-8, are supported on the parallel connected capacitor 9 stable. Serially connected inductor 10 and capacitor 11, forming an LC filter of the second harmonic of the rectified current, are connected in parallel with load 12. At a load current below the rated value, the increase in voltage drop across the inductor 20 is proportional to the change in the load current. When the load current exceeds the nominal value, the inductance of the inductor 20 decreases, and accordingly the voltage drop across the inductor 20 decreases. At this moment, the first additional inductor 18 is connected with the key 19, and the line inductor 20 is turned off with the key 21, which increases the input inductance. In this case, the excess voltage drop on the inductance of the input circuit, in case of its appearance, is compensated by the change in voltage modulation by valves 5-8. With a further increase in load, the main line reactor 4 is connected with key 17 and the voltage drop across the inductance of the input circuit increases accordingly. As in the first case, the excess voltage drop, if any, is compensated by the change in voltage modulation by valves 5-8 until the specified value is reached.

На фиг.5 представлена осциллограмма, подтверждающая приемлемый уровень длительности переходных процессов при коммутации дросселей с изменением нагрузки, справедливые для обоих вариантов преобразователей.Figure 5 presents an oscillogram confirming an acceptable level of duration of transients during switching of reactors with a change in load, valid for both versions of the converters.

Запуск преобразователя и работа с малыми нагрузками осуществляются с одним работающим дросселем, имеющим наименьшую из всех дросселей индуктивность. Остальные дроссели отключены соответствующими ключами. При работе с нагрузкой, превышающей максимально возможное падение напряжения на сетевом дросселе, по причине недостаточности индуктивности при возросшем токе (момент времени К1 на диаграмме фиг.4), подключают дополнительный дроссель замыканием соответствующего ключа. При этом падение напряжения на индуктивности входной цепи будет больше заданного (пунктирная линия), и на участке работы между подключением первого и второго дополнительных дросселей К1-К2 применяют дополнительную модуляцию входного напряжения, равную

U_LЗАД - заданное значение падения напряжения на входной индуктивности; U_LФ - фактическое значение падения напряжения на входной индуктивности. В точке К2 суммарная индуктивность входной цепи равна заданной, а далее с ростом тока нагрузки она снова недостаточна, и, следовательно, подключают еще один (второй) дополнительный дроссель замыканием ключа. Падение напряжения U_LФ превысит заданное и на участке К2- I_MAX. Следовательно, необходимо применение дополнительной модуляции

для ликвидации избыточного напряжения μU_d на входе четырехквадрантного преобразователя. При этом значение падения напряжения на индуктивности входной цепи при изменении тока нагрузки будет изменяться практически линейно и монотонно (фиг.5), что упростит контроль и регулирование сетевого тока и выходного напряжения U_d преобразователя.The converter is started up and low-load operation is carried out with one working inductor having the smallest inductance inductors. The remaining chokes are disabled by the corresponding keys. When working with a load exceeding the maximum possible voltage drop at the line choke, due to the inductance insufficiency with increased current (time moment K1 in the diagram of figure 4), an additional choke is connected by closing the corresponding key. In this case, the voltage drop across the inductance of the input circuit will be greater than the specified one (dashed line), and in the area of operation between connecting the first and second additional chokes K1-K2, an additional modulation of the input voltage equal to

U _{L Back} - set value of the voltage drop at the input inductance; U _LF - the actual value of the voltage drop at the input inductance. At point K2, the total inductance of the input circuit is equal to the specified one, and then, with an increase in the load current, it is again insufficient, and, therefore, one more (second) additional inductor is connected by closing the key. The voltage drop U _LФ will exceed the set value in the K2-I _MAX section. Therefore, the use of additional modulation

to eliminate excess voltage μU _d at the input of a four-quadrant converter. In this case, the value of the voltage drop across the inductance of the input circuit when the load current changes will change almost linearly and monotonously (Fig. 5), which will simplify the control and regulation of the mains current and the output voltage U _{d of the} converter.

Claims

1. Four-quadrant converter containing a single-phase transformer, the primary winding of which is connected to AC terminals, and the terminals of the secondary winding are connected to the diagonal of a controlled semiconductor bridge formed by power semiconductor devices, preferably bipolar transistors with an insulated gate, a choke connected to one of the terminals of the secondary winding smoothing capacitor and notch LC filter formed by the serial connection of the inductor and con sensor, at the output of the mentioned bridge, a load is connected in parallel, characterized in that two additional line reactors are installed in series with the line reactor, the nominal inductance of the first of which does not exceed the nominal inductance of the line reactor, and the nominal inductance of the second additional reactor does not exceed the nominal inductance of the first additional reactor , while the total inductance of all chokes at the maximum current has a value not lower than the maximum inductance of the network the choke, in addition, between the main line reactor and the first additional line reactor, a normally open contact group of the two-pole two-position switch is connected, the normally closed contact group of the switch is connected by a movable contact to the output of the main line reactor, and a fixed contact to the output of the first additional line reactor and to the movable the contact of the normally closed contact group of the second on / off switch, which has a normally open contact latched group is connected between the additional line choke and the normally closed fixed contact of the contact group is connected between said second additional line choke and the semiconductor bridge.

2. A four-quadrant converter containing a single-phase transformer, the primary winding of which is connected to the AC terminals, and the terminals of the secondary winding are connected to the diagonal of the controlled semiconductor bridge formed by power semiconductor devices, preferably bipolar transistors with an insulated gate, a choke connected to one of the terminals of the secondary winding, smoothing capacitor and notch LC filter at the output of the aforementioned bridge, in parallel with which the load is connected, from characterized in that in parallel with the line reactor there are mainly two auxiliary line reactors connected, the nominal inductance of one of which is lower than the nominal inductance of the line reactor, and the nominal inductance of the second additional reactor is lower than the nominal inductance of the first additional reactor, and a normally open key is connected in front of each of the inductors connecting the appropriate inductor to the load circuit.