RU2320070C1

RU2320070C1 - Thyristor-capacitor transformer

Info

Publication number: RU2320070C1
Application number: RU2007100841/09A
Authority: RU
Inventors: Лев Теодорович Магазинник (RU); Лев Теодорович Магазинник
Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2007-01-09
Publication date: 2008-03-20

Abstract

FIELD: electric engineering, namely, transistor and thyristor transformers with metering capacitors in power circuit.

SUBSTANCE: thyristor-capacitor transformer contains thyristor bridge with metering capacitor in alternating current diagonal of thyristor bridge and constant current load, coupled serially with aforementioned thyristor bridge and thyristor current switch. Protection system is made in form of three-winding transformer, first winding of which is coupled between the power supply pole and the common anode of thyristor bridge, the second winding is coupled between cathode of one and anode of the other transistor of thyristor bridge in such a way, that average point of second winding constitutes one of contacts of diagonal of alternating current of thyristor bridge, second winding has twice greater number of coils compared to the first one, and is coupled oppositely relatively to first winding, and third winding of aforementioned transformer is connected to switch-off impulse generator, output of which is connected to control input of thyristor current switch.

EFFECT: increased speed of operation, increased reliability of system for protecting device from overloads in case of disruptions in commutation of thyristor inverter.

3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к транзисторным и тиристорным преобразователям с дозирующими конденсаторами в силовой цепи. Такие преобразователи нашли широкое применение в различных электротехнологических установках, требующих постоянства дозирования энергии при изменении нагрузки [1]. Для мощностей до 10-15 кВт обычно применяются транзисторно-конденсаторные преобразователи полумостового или мостового типа [2]. При больших мощностях предпочтительней становятся тиристорно-конденсаторные преобразователи [3, 4]. Примерами таких нагрузок могут служить печи ионного азотирования, электродуговые испарители для напыления металла и т.п. [4].The present invention relates to the field of electrical engineering, namely to transistor and thyristor converters with metering capacitors in the power circuit. Such converters are widely used in various electrotechnological installations, requiring constant dosing of energy when the load changes [1]. For capacities up to 10-15 kW, transistor-capacitor converters of half-bridge or bridge type are usually used [2]. At high powers, thyristor-capacitor converters become preferable [3, 4]. Examples of such loads include ion nitriding furnaces, electric arc evaporators for metal spraying, etc. [four].

Тиристорно-конденсаторные преобразователи для нагрузок постоянного тока выполняются обычно по мостовой схеме, а для нагрузок переменного тока - по полумостовой схеме.Thyristor-capacitor converters for DC loads are usually carried out according to the bridge circuit, and for AC loads - according to the half-bridge circuit.

Общим недостатком упомянутых тиристорно-конденсаторных преобразователей является недостаточная надежность защиты от перегрузок при нарушении коммутации тиристоров.A common drawback of the mentioned thyristor-capacitor converters is the insufficient reliability of protection against overloads in case of thyristor switching failure.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является тиристорно-конденсаторный преобразователь, описанный в [4], рис.5.29 и 5.30 на стр.152, 153 и содержащий тиристорный мост с дозирующим конденсатором в диагонали переменного тока, подключенный последовательно с нагрузкой и тиристорным выключателем тока к соответствующим выводам источника питания, причем нагрузка совместно с тиристорным мостом шунтирована первым обратным диодом, а нагрузка совместно с тиристорным выключателем тока шунтирована вторым обратным диодом. Система защиты тиристорно-конденсаторного преобразователя содержит датчик напряжения на диагонали постоянного тока тиристорного моста, подключенный к компаратору сигнала датчика и сигнала опорного напряжения, а упомянутый компаратор через последовательно соединенные селектор длительности и формирователь импульсов выключения связан с управляющим входом тиристорного выключателя.The closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a thyristor-capacitor converter described in [4], Fig.5.29 and 5.30 on p. 152, 153 and containing a thyristor bridge with a metering capacitor in the diagonal of an alternating current connected in series with load and thyristor current switch to the corresponding terminals of the power source, and the load together with the thyristor bridge is shunted by the first reverse diode, and the load together with the thyristor current switch shun th e second reflux diode. The thyristor-capacitor converter protection system contains a voltage sensor on the DC diagonal of the thyristor bridge connected to the comparator of the sensor signal and the reference voltage signal, and the said comparator is connected through a series-connected duration selector and a shutdown pulse shaper to the control input of the thyristor switch.

Упомянутый тиристорно-конденсаторный преобразователь принимается за прототип.The mentioned thyristor-capacitor converter is taken as a prototype.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа относится то, что в известном устройстве в схеме защиты необходим селектор длительности, что приводит к запаздыванию срабатывания защиты, снижает ее надежность.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the prototype include the fact that in the known device, a duration selector is required in the protection circuit, which leads to a delay in the response of the protection, reduces its reliability.

Схема прототипа приведена на фиг.1 и содержит в силовой части тиристорный мост 1-4 с дозирующим конденсатором 5 в диагонали переменного тока. Тиристорный мост 1-4 соединен последовательно с нагрузкой 6 и тиристорным выключателем тока 7, и эта последовательная цепь подключена к соответствующим выводам источника питания U_п. Нагрузка 6 совместно с тиристорным мостом 1-4 шунтирована первым обратным диодом 8, а второй обратный диод 9 шунтирует нагрузку 6 совместно с тиристорным выключателем тока 7. Тиристорный выключатель тока 7 состоит из двух объединенных катодами тиристоров: включающего тиристора 10 и выключающего тиристора 11, между анодами которых включен коммутирующий конденсатор. Общая точка коммутирующего конденсатора 12 и выключающего тиристора 11 через резистор 13 подключена к плюсу источника питания U_п. Следует отметить, что тиристорный выключатель тока 7 может быть заменен запираемым (GTO) тиристором без каких-либо изменений в остальной части схемы и принципе работы устройства фиг.1.The prototype diagram is shown in figure 1 and contains in the power part of the thyristor bridge 1-4 with a metering capacitor 5 in the diagonal of an alternating current. The thyristor bridge 1-4 is connected in series with the load 6 and the thyristor current switch 7, and this serial circuit is connected to the corresponding terminals of the power source U _p . The load 6 together with the thyristor bridge 1-4 is shunted by the first reverse diode 8, and the second reverse diode 9 shunts the load 6 together with the thyristor current switch 7. The thyristor current switch 7 consists of two thyristors connected by cathodes: including thyristor 10 and turning off thyristor 11, between whose anodes include a switching capacitor. The common point of the switching capacitor 12 and the turning off thyristor 11 through a resistor 13 is connected to the plus of the power supply U _p . It should be noted that the thyristor current switch 7 can be replaced by a lockable (GTO) thyristor without any changes in the rest of the circuit and the principle of operation of the device of figure 1.

Система защиты тиристорно-конденсаторного преобразователя содержит датчик напряжения 14 на диагонали постоянного тока тиристорного моста 1-4, подключенный к компаратору 15 сигнала с датчика напряжения 14 и сигнала опорного напряжения U_оп. Компаратор 15 через последовательно соединенные селектор длительности 16 и формирователь импульсов выключения 17 связан с управляющим входом выключающего тиристора 11. Система управления 18 является типовой и приведена на фиг.1 лишь для иллюстрации ее связей с тиристорным инвертором 1-4 и тиристорным выключателем тока 7.The thyristor-capacitor converter protection system contains a voltage sensor 14 on the diagonal of the direct current of the thyristor bridge 1-4 connected to the comparator 15 of the signal from the voltage sensor 14 and the reference voltage signal U _op . The comparator 15, through a series-connected selector of duration 16 and a pulse shaper of shutdown 17, is connected to the control input of the turn-off thyristor 11. The control system 18 is typical and is shown in Fig. 1 only to illustrate its connections with the thyristor inverter 1-4 and the thyristor current switch 7.

Технический результат - повышение быстродействия и надежности системы защиты устройства от перегрузок при нарушениях коммутации тиристорного инвертора.The technical result is an increase in speed and reliability of the device protection system against overloads in case of thyristor inverter switching disturbances.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем тиристорный мост с дозирующим конденсатором в диагонали переменного тока, включенный общими катодами последовательно с нагрузкой и тиристорным выключателем тока, причем нагрузка совместно с общими анодами тиристорного моста шунтирована первым обратным диодом, нагрузка совместно с тиристорным выключателем тока шунтирована вторым обратным диодом, связанным анодом с минусом источника питания, а также содержащем типовую систему управления и систему защиты, упомянутая система защиты выполнена в виде трехобмоточного трансформатора, первая обмотка которого включена между плюсом источника питания и общими анодами тиристорного моста, вторичная обмотка включена между катодом одного и анодом другого тиристора тиристорного моста так, что средняя точка второй обмотки образует один из выводов диагонали переменного тока тиристорного моста, вторая обмотка имеет вдвое большее число витков, чем первая и включена встречно по отношению к первой обмотке, а третья обмотка упомянутого трансформатора подключена к формирователю импульсов выключения, выход которого связан с управляющим входом тиристорного выключателя тока.The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known device containing a thyristor bridge with a metering capacitor in the diagonal of an alternating current, connected by common cathodes in series with the load and the thyristor current switch, and the load together with the common anodes of the thyristor bridge is shunted by the first reverse diode, the load together with a thyristor current switch, it is shunted by a second reverse diode connected by the anode to the minus of the power source, and also containing types control system and protection system, the mentioned protection system is made in the form of a three-winding transformer, the first winding of which is connected between the plus of the power source and the common anodes of the thyristor bridge, the secondary winding is connected between the cathode of one and the anode of the other thyristor of the thyristor bridge so that the middle point of the second winding forms one of the conclusions of the diagonal of the alternating current of the thyristor bridge, the second winding has twice as many turns as the first one and is turned on counter to the first winding, and the third the winding of said transformer is connected to a pulse shaper, the output of which is connected to the control input of the thyristor current switch.

Это позволило исключить из схемы устройства компаратор и главное, селектор длительности, тем самым обеспечить быстродействие и высокую надежность защиты. Более того, в предложенном устройстве, как поясняется ниже, обеспечивается превентивный характер защиты: ток при срыве коммутации тиристорного моста практически не возрастает. Таким образом, технический результат достигнут.This made it possible to exclude the comparator and, most importantly, the duration selector from the device circuitry, thereby ensuring speed and high reliability of protection. Moreover, in the proposed device, as explained below, the preventive nature of the protection is ensured: the current practically does not increase when the thyristor bridge is switched off. Thus, the technical result is achieved.

Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2 и содержит тиристорный мост 1-4 с дозирующим конденсатором 5 в диагонали переменного тока, включенный последовательно с нагрузкой 6 и тиристорным выключателем тока 7. Нагрузка 6 совместно с общими анодами тиристорного моста 1-4, т.е. с анодами тиристоров 1 и 4, шунтирована первым обратным диодом 8. Нагрузка 6 совместно с тиристорным выключателем тока 7 шунтирована вторым обратным диодом 9, связанным анодом с минусом источника питания U_п. Типовая система управления 10 подключена своими выходами к соответствующим управляющим входам тиристорного моста 1-4 и тиристорного выключателя тока 7. Система защиты выполнена в виде трехобмоточного трансформатора 11, первая обмотка 12 которого включена между плюсом источника питания U_п и общими анодами тиристорного моста 1-4, причем число витков второй обмотки 13 вдвое больше числа витков первой обмотки 12 и включены эти обмотки встречно по отношению друг к другу. Средняя точка второй обмотки 13 делит всю указанную обмотку на первую и вторую полуобмотки с одинаковым числом витков и образует один из выводов диагонали переменного тока тиристорного моста 1-4. Третья обмотка 14 упомянутого трансформатора 11 подключена к формирователю импульсов выключения 15, выход которого связан с управляющим входом тиристорного выключателя тока 7.The scheme of the proposed device is shown in figure 2 and contains a thyristor bridge 1-4 with a metering capacitor 5 in the diagonal of an alternating current connected in series with the load 6 and the thyristor current switch 7. The load 6 is shared with the common anodes of the thyristor bridge 1-4, i.e. . with the anodes of thyristors 1 and 4, is shunted by the first reverse diode 8. The load 6 together with the thyristor current switch 7 is shunted by the second reverse diode 9, connected by the anode to the minus of the power source U _p . A typical control system 10 is connected by its outputs to the corresponding control inputs of the thyristor bridge 1-4 and the thyristor current switch 7. The protection system is made in the form of a three-winding transformer 11, the first winding of which 12 is connected between the plus of the power supply U _p and the common anodes of the thyristor bridge 1-4 moreover, the number of turns of the second winding 13 is twice as many as the number of turns of the first winding 12 and these windings are turned counter to one another. The midpoint of the second winding 13 divides the entire specified winding into the first and second half windings with the same number of turns and forms one of the terminals of the diagonal of the alternating current of the thyristor bridge 1-4. The third winding 14 of the aforementioned transformer 11 is connected to a pulse shaper off 15, the output of which is connected to the control input of the thyristor current switch 7.

Устройство функционирует следующим образом.The device operates as follows.

При включении напряжения питания U_п и типовой системы управления 10 на управляющие входы тиристоров 1, 2 поступают отпирающие импульсы тока i₁ (диаграмма 1 на фиг.3), а на управляющие входы тиристоров 3, 4 поступают отпирающие импульсы тока i₂ (диаграмма 2 на фиг.3), сдвинутые во времени на половину межимпульсного интервала. На управляющий вход тиристорного выключателя тока 7 отпирающие импульсы тока i₃ следуют с двойной частотой (диаграмма 3 на фиг.3), то есть тиристорно-конденсаторный преобразователь питает нагрузку 6 при циклическом перезаряде дозирующего конденсатора 5, напряжение которого U_c показано на диаграмме 4, фиг.3. В паузы t_п, необходимые для восстановления запирающих свойств диагональной пары тиристоров 1, 2 или 3, 4, напряжение U_c практически равно напряжению U_п. Ток нагрузки на интервале перезаряда дозирующего конденсатора 5 протекает по первой обмотке 12 и по первой полуобмотке обмотки 13, либо по первой обмотке 12 и по второй полуобмотке обмотки 13 трехобмоточного трансформатора 11. На интервале паузы t_п ток нагрузки 6 замыкается через тиристорный выключатель тока 7 и второй обратный диод 9, а при отключении тиристорного выключателя тока 7 (оперативном или аварийном) ток нагрузки 6 замыкается через первый обратный диод 8, первую обмотку 12 трехобмоточного трансформатора 11, источник питания U_п и второй обратный диод 9. При этом происходит быстрый спад тока i_d (диаграммы 5 и 6 на фиг.3, где i₄ - импульс выключения).When you turn on the supply voltage U _p and a typical control system 10, the control inputs of the thyristors 1, 2 receive the unlocking pulses of the current i ₁ (diagram 1 in figure 3), and the control inputs of the thyristors 3, 4 receive the unlocking pulses of the current i ₂ (diagram 2 figure 3), shifted in time by half the interpulse interval. To the control input of the thyristor current switch 7, the unlocking current pulses i ₃ follow with a double frequency (diagram 3 in Fig. 3), that is, the thyristor-capacitor converter supplies the load 6 during cyclic recharging of the metering capacitor 5, the voltage of which U _{c is} shown in diagram 4, figure 3. In pause t _p necessary to restore the locking properties of the diagonal pair of thyristors 1, 2 or 3, 4, the voltage U _{c is} almost equal to the voltage U _p . The load current in the interval of overcharging of the metering capacitor 5 flows along the first winding 12 and the first half-winding of the winding 13, or along the first winding 12 and the second half-winding of the winding 13 of the three-winding transformer 11. At the pause interval t _p , the load current 6 is closed through the thyristor current switch 7 and a second freewheeling diode 9, and the thyristor is turned off when the current switch 7 (operational or accidental) load current 6 is closed through the first freewheeling diode 8, a first winding 12 of the transformer-winding 11, a power source and a second U _n of inverse diode 9. Thus there is a rapid decrease of current i _d (Chart 5 and 6 in Figure 3, where i ₄ - off pulse).

Принципиальное отличие заявленного устройства (фиг.2) от прототипа (фиг.1) заключается в следующем. При нормальной работе тиристорного моста 1-4 ток нагрузки протекает, например, через первую обмотку 12 и полуобмотку второй обмотки 13, т.е. через обмотки с равным числом витков, включенные встречно и образующие бифилляр, следовательно, суммарные ампервитки равны нулю. Соответственно, равно нулю и индуктивное сопротивление этих обмоток. Аналогичная картина имеет место и при включенной диагонали тиристоров 3-4. Резистивным сопротивлением можно пренебречь, т.е. в рабочем режиме устройство (фиг.2) функционирует аналогично прототипу (фиг.1). При срыве коммутации, например, при одновременном отпирании тиристоров 1 и 3 ток от источника U_п должен проходить через первую обмотку 12 и всю вторую обмотку 13 трехобмоточного трансформатора 11. Этот ток, пока трехобмоточный трансформатор 11 не насытится, не превзойдет тока намагничивания, т.е. цепь короткого замыкания будет практически заперта. Достаточно выбрать параметры трехобмоточного трансформатора 11 такими, чтобы время его насыщения было равно времени отключения тиристорного выключателя тока 7, на который в аварийном режиме поступает с третьей обмотки 14 через формирователь импульсов выключения 15 сигнал отключения. Аналогичная картина имеет место и при замыкании через тиристоры 2 и 4. В этом случае ток намагничивания идет только через первую обмотку 12 трехобмоточного трансформатора 11. Заметим, что поскольку время выключения тиристорного выключателя тока 7 мало (десятки микросекунд), то и габариты трехобмоточного трансформатора 11 малы и его включение в силовую цепь тиристорно-конденсаторного преобразователя не является недостатком. При каждом выключении тиристорного выключателя тока 7 происходит размагничивание трехобмоточного трансформатора 11 при отдаче электромагнитной энергии нагрузки в источник питания U_п, т.е. трехобмоточный трансформатор 11 используется по полной петле гистерезиса, а предложенная защита безинерционна и ограничивает ток на ничтожном уровне.The fundamental difference between the claimed device (figure 2) from the prototype (figure 1) is as follows. During normal operation of the thyristor bridge 1-4, the load current flows, for example, through the first winding 12 and the half-winding of the second winding 13, i.e. through windings with an equal number of turns, included in the opposite direction and forming a bifillary, therefore, the total ampere-turns are equal to zero. Accordingly, the inductive resistance of these windings is equal to zero. A similar picture occurs with the included diagonal of thyristors 3-4. Resistive resistance can be neglected, i.e. in operating mode, the device (figure 2) functions similarly to the prototype (figure 1). When switching is broken, for example, while thyristors 1 and 3 are simultaneously unlocked, the current from the source U _p must pass through the first winding 12 and the entire second winding 13 of the three-winding transformer 11. This current, until the three-winding transformer 11 is saturated, will not exceed the magnetization current, t. e. the short circuit will be practically locked. It is enough to choose the parameters of the three-winding transformer 11 so that its saturation time is equal to the tripping time of the thyristor current switch 7, which in emergency mode receives a shutdown signal from the third winding 14 through the pulse shaper 15. A similar picture occurs when the circuit is closed through thyristors 2 and 4. In this case, the magnetization current flows only through the first winding 12 of the three-winding transformer 11. Note that since the turn-off time of the thyristor current switch 7 is short (tens of microseconds), the dimensions of the three-winding transformer 11 are small and its inclusion in the power circuit of a thyristor-capacitor converter is not a drawback. Each time the thyristor current switch 7 is turned off, the three-winding transformer 11 is demagnetized when the electromagnetic energy of the load is transferred to the power source U _p , i.e. the three-winding transformer 11 is used over the full hysteresis loop, and the proposed protection is inertialess and limits the current to an insignificant level.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Л.Т.Магазинник. Однофазные источники питания инверторного типа с конденсаторами в силовой цепи. Электромеханика. Изв. вузов №6, 2003 г., с.21-24.1. L.T. Single-phase inverter-type power supplies with capacitors in the power circuit. Electromechanics. Izv. Universities No. 6, 2003, p.21-24.

2. Вторичный источник питания. Патент №2131640 от 12.01.98. Авторы изобретения: Магазинник Г.Г., Шингаров В.П., Магазинник Л.Т.2. Secondary power source. Patent No. 2131640 dated January 12, 1998. Authors of the invention: Magazine G.G., Shingarov V.P., Magazine L.T.

3. В.С.Руденко, В.И.Сенько, И.М.Чиженко «Преобразовательная техника», «Высшая школа», 1978, рис.5.19, 424 с.3. V. S. Rudenko, V. I. Senko, I. M. Chizhenko “Converting equipment”, “Higher school”, 1978, fig. 5.19, 424 p.

4. О.Г.Булатов и др. - Тиристорно-конденсаторные источники питания для электротехнологии. - М.: «Энергоатомиздат», 1989, с.152, рис.5.29, с.153, рис.5.30.4. OG Bulatov et al. - Thyristor-capacitor power supplies for electrical technology. - M .: "Energoatomizdat", 1989, p. 152, fig. 5.29, p. 153, fig. 5.30.

Claims

A thyristor-capacitor converter containing a thyristor bridge with metering capacitors in an alternating current diagonal, connected by common cathodes in series with a load and a thyristor current switch, with the load being shared with the common anodes of the thyristor bridge by the first reverse diode, the load together with the thyristor current switch is bypassed by the second reverse diode associated with the anode to the minus the power source, and also containing a typical control system and protection system, characterized in that the mentioned protection system is made in the form of a three-winding transformer, the first winding of which is connected between the plus of the power supply and the common anodes of the thyristor bridge, the second winding is connected between the cathode of one and the anode of the other thyristor bridge so that the midpoint of the second winding forms one of the terminals of the diagonal of the thyristor AC bridge, the second winding has twice as many turns than the first one and is turned on counter to the first winding, and the third winding of the said transformer is connected ene to off pulse shaper whose output is connected to a control input of the thyristor AC switch.