RU2334346C1

RU2334346C1 - Thyristor chopper with capacitors in power circuit

Info

Publication number: RU2334346C1
Application number: RU2007125713/09A
Authority: RU
Inventors: Лев Теодорович Магазинник (RU); Лев Теодорович Магазинник
Priority date: 2007-07-06
Filing date: 2007-07-06
Publication date: 2008-09-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: device is supplied with a block of expanding of the range of regulation, executed on the principle of the transfer of the electric energy saved up in inductance from the source to the receiver. Thus the energy source is the additional winding of the transformer, and using the filter capacitor shunting the power supply.

EFFECT: realisation of pulse-frequency regulation of a current load in all ranges of loads from zero up to maximum with rigid and linear external characteristic.

3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к тиристорным инверторам с конденсаторами в силовой цепи, преимущественно с трансформаторной нагрузкой.The present invention relates to the field of electrical engineering, namely to thyristor inverters with capacitors in the power circuit, mainly with transformer load.

Тиристорные инверторы с конденсаторами в силовой цепи работоспособны только в ограниченном диапазоне нагрузок, что является существенным недостатком и ограничивает область их применения. В частности, при холостом ходе и в области малых нагрузок такие инверторы неработоспособны. Следует отметить, что речь идет об инверторах на однооперационных тиристорах, которые запираются только при естественном спаде тока до нуля либо требуют принудительной коммутации [1, 2].Thyristor inverters with capacitors in the power circuit are operable only in a limited range of loads, which is a significant drawback and limits the scope of their application. In particular, at idle and in the field of low loads, such inverters are inoperative. It should be noted that we are talking about inverters on single-operation thyristors, which are locked only when the current drops to zero or require forced switching [1, 2].

Учитывая отмеченный недостаток упомянутых выше инверторов, в [3] предложены тиристорные инверторы мостового и полумостового типа с трансформаторной нагрузкой и дополнительным блоком, обеспечивающим широтно-импульсное регулирование тока нагрузки в широком диапазоне [3, стр.70, рис.3.3, в, стр.79, рис.3.10].Considering the noted drawback of the inverters mentioned above, in [3] bridge and half-bridge type thyristor inverters with transformer load and an additional unit providing pulse-width control of the load current in a wide range [3, p. 70, fig. 3.3, c, p. 79, Fig. 3.10].

Как мостовой (рис.3.3, в), так и полумостовой инвертор (рис.3.10) могут быть приняты в качестве прототипа. Для простоты и общности в качестве прототипа принимается мостовой тиристорный инвертор [3], рис.3.3, в.Both the bridge (Fig. 3.3, c) and the half-bridge inverter (Fig. 3.10) can be adopted as a prototype. For simplicity and generality, a thyristor bridge inverter is adopted as a prototype [3], Fig.3.3, c.

Схема прототипа приведена на фиг.1 и содержит мостовой тиристорный инвертор 1÷4, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания 5, шунтированному фильтровым конденсатором 6. В диагональ переменного тока упомянутого тиристорного инвертора 1÷4 включена первичная обмотка 7 трансформатора 8 последовательно с коммутирующим конденсатором 9. Вторичная обмотка последовательно с датчиком тока 11 подключена к диодному выпрямителю 12, выводы постоянного тока которого подключены последовательно с дросселем 13 к нагрузке 14. Кроме того, силовая часть устройства содержит блок расширения диапазона регулирования 15 в составе последовательной цепи из двух диодов 16, 17 и двух тиристоров 18, 19, причем катод диода 16 подключен к плюсу источника питания 5, а анод диода 17 подключен к минусу источника питания 5. Тиристоры 18, 19 включены согласно-последовательно в проводящем по отношению к источнику питания 5 направлении и общей точкой связаны с общей точкой упомянутых коммутирующего конденсатора 9 и первичной обмотки 7 трансформатора 8. Свободные выводы тиристоров 18, 19 объединены с одноименными выводами диодов 16, 17, причем к общим точкам диода 16 и тиристора 18, а также диода 17 и тиристора 19 подключена индуктивность 20.The prototype diagram is shown in figure 1 and contains a bridge thyristor inverter 1 ÷ 4 connected by a diagonal of a direct current to a power supply 5 shunted by a filter capacitor 6. The primary winding 7 of a transformer 8 is connected in series with a switching capacitor in the diagonal of the alternating current of the mentioned thyristor inverter 1 ÷ 4 9. The secondary winding in series with the current sensor 11 is connected to a diode rectifier 12, the DC terminals of which are connected in series with the inductor 13 to the load 14. In addition, the forces The new part of the device contains an extension of the control range 15 as part of a serial circuit of two diodes 16, 17 and two thyristors 18, 19, and the cathode of the diode 16 is connected to the plus of the power source 5, and the anode of the diode 17 is connected to the minus of the power source 5. Thyristors 18 , 19 are connected in series with each other in the direction relative to the power supply 5 and connected to the common point of the switching capacitor 9 and the primary winding 7 of the transformer 8. The free terminals of the thyristors 18, 19 are combined with the same the findings of the diodes 16, 17, and the inductance 20 is connected to the common points of the diode 16 and the thyristor 18, as well as the diode 17 and the thyristor 19.

Система управления 21 является типовой, построена по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и обычно замкнута по току выходным сигналом с датчика тока 11. Принцип действия прототипа подробно описан в [3]. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относится следующее.The control system 21 is typical, built on the principle of pulse-width modulation (PWM) and is usually closed by current output signal from the current sensor 11. The principle of operation of the prototype is described in detail in [3]. The reasons that impede the achievement of the following technical result include the following.

1. При широтно-импульсном регулировании обеспечить линейные внешние характеристики в источниках питания инверторного типа с конденсаторами в силовой цепи можно, лишь имея 2÷3-кратный запас по напряжению [2], что приводит к пропорциональному увеличению установленной мощности устройства.1. With pulse-width regulation, it is possible to provide linear external characteristics in inverter-type power supplies with capacitors in the power circuit only with a voltage of 2–3 times [2], which leads to a proportional increase in the installed power of the device.

2. Наличие двух параллельных цепей перезаряда коммутирующего конденсатора 9 (фиг.1) в схеме прототипа неизбежно ведет к появлению постоянной составляющей в токе трансформатора, что требует значительного увеличения габаритов трансформатора во избежание его насыщения.2. The presence of two parallel overcharge circuits of the switching capacitor 9 (Fig. 1) in the prototype circuit inevitably leads to the appearance of a constant component in the current of the transformer, which requires a significant increase in the dimensions of the transformer in order to avoid saturation.

Технический результат - обеспечение линейных внешних характеристик устройства во всем диапазоне регулирования, а также исключение постоянной составляющей в токе первичной обмотки трансформатора.The technical result is the provision of linear external characteristics of the device in the entire control range, as well as the exclusion of the DC component in the current of the primary winding of the transformer.

Для получения указанного технического результата при осуществлении изобретения в тиристорном инверторе с конденсаторами в силовой цепи, содержащем тиристорный мост, диагональ постоянного тока которого подключена к источнику питания, шунтированному фильтровым конденсатором, а в диагональ переменного тока включена последовательно с коммутирующим конденсатором первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка трансформатора последовательно с датчиком тока нагрузки подключена к диодному выпрямителю, выводы постоянного тока которого последовательно с дросселем подключены к нагрузке, а также содержащем блок расширения диапазона регулирования и систему управления, замкнутую отрицательной обратной связью по току нагрузки, упомянутая система управления тиристорным инвертором выполнена с частотно-импульсным регулированием тока, блок расширения диапазона регулирования выполнен по принципу передачи накопленной в индуктивности электромагнитной энергии от источника к приемнику и содержит в качестве источника электроэнергии дополнительную обмотку упомянутого трансформатора, подключенную к диодному мосту, диагональ постоянного тока которого шунтирована сглаживающим конденсатором и датчиком напряжения, нагружена на последовательно соединенную цепь из датчика тока, индуктивности и транзисторного ключа, включенного в проводящем ток направлении, параллельно транзисторному ключу через отсекающий диод подключены соответствующие выводы упомянутого фильтрового конденсатора, управляющий вход транзисторного ключа связан с выходом микроконтроллера управления транзисторным ключом, соответствующие входы микроконтроллера соединены с выходом датчика тока и выходом дифференциального усилителя, прямой вход которого связан с выходом упомянутого датчика напряжения, а инверсный вход подключен к выходу датчика тока нагрузки.To obtain the indicated technical result when carrying out the invention in a thyristor inverter with capacitors in a power circuit containing a thyristor bridge, the DC diagonal of which is connected to a power source shunted by a filter capacitor, and the primary winding of the transformer is connected in series with the switching capacitor to the diagonal of the alternating current, secondary winding the transformer is connected in series with the load current sensor to a diode rectifier, the DC terminals of which It is connected in series with the inductor to the load, as well as containing a control range extension block and a control system closed by negative feedback on the load current, the thyristor inverter control system is made with pulse-frequency current control, the control range expansion block is made according to the principle of transmission accumulated in the inductance of electromagnetic energy from the source to the receiver and contains as an electric power source an additional winding of the above a transformer connected to a diode bridge whose DC diagonal is shunted by a smoothing capacitor and a voltage sensor, is loaded on a series-connected circuit of a current sensor, inductance and a transistor switch connected in the current-conducting direction, the corresponding terminals of the said filter capacitor are connected in parallel with the transistor switch through a cut-off diode , the control input of the transistor switch is connected to the output of the microcontroller controlling the transistor switch, respectively e inputs of the microcontroller are connected to the output of the current sensor and the output of the differential amplifier, the direct input of which is connected to the output of the aforementioned voltage sensor, and the inverse input is connected to the output of the load current sensor.

Схема устройства (фиг.2) содержит тиристорный мост 1÷4, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания 5, шунтированному фильтровым конденсатором 6. В диагональ переменного тока тиристорного моста 1÷4 включена первичная обмотка 7 трансформатора 8 последовательно с коммутирующим конденсатором 9. Вторичная обмотка 10 последовательно с датчиком тока нагрузки 11 подключена к диодному выпрямителю 12, выводы постоянного тока которого подключены последовательно с дросселем 13 к нагрузке 14. Кроме того, устройство содержит блок расширения диапазона регулирования 15 и систему управления 16, выполненную с частотно-импульсным регулированием и замкнутую отрицательной обратной связью по току сигналом с упомянутого датчика тока нагрузки 11, подсоединенным к соответствующему входу системы управления 16, соответствующие выходы которой связаны с управляющими входами тиристоров тиристорного моста 1÷4.The circuit of the device (Fig. 2) contains a thyristor bridge 1 ÷ 4 connected by a diagonal of a direct current to a power source 5 shunted by a filter capacitor 6. The primary winding 7 of a transformer 8 is connected in series with a switching capacitor 9 in the diagonal of an alternating current of a thyristor bridge 1 ÷ 4. Secondary the winding 10 in series with the load current sensor 11 is connected to a diode rectifier 12, the DC terminals of which are connected in series with the inductor 13 to the load 14. In addition, the device contains an expansion unit I regulation range 15 and the control system 16, made with pulse-frequency regulation and closed by negative current feedback signal from the aforementioned load current sensor 11, connected to the corresponding input of the control system 16, the corresponding outputs of which are connected to the control inputs of the thyristor bridge 1 ÷ four.

Блок расширения диапазона регулирования 15 выполнен по принципу передачи накопленной в индуктивности электромагнитной энергии от источника к приемнику [4, 5] и содержит в качестве источника электроэнергии дополнительную обмотку 17 трансформатора 8, подключенную к диодному мосту 18, диагональ постоянного тока которого шунтирована сглаживающим конденсатором 19 и датчиком напряжения 20. Кроме того, упомянутая диагональ постоянного тока диодного моста 18 нагружена на последовательно соединенную цепь из датчика тока 21, индуктивности 22 и транзисторного ключа 23, включенного в проводящем ток направлении. Параллельно транзисторному ключу 23 через отсекающий диод 24 подключены соответствующие выводы фильтрового конденсатора 6. Управляющий вход транзисторного ключа 23 связан с выходом микроконтроллера 25 [5, стр.385] управления этим ключом. Соответствующие входы микроконтроллера 25 соединены с выходом датчика тока 21 и выходом дифференциального усилителя 26, прямой вход которого связан с выходом датчика напряжения 20, а инверсный вход подключен к выходу датчика тока нагрузки 11.The extension range of the control range 15 is made according to the principle of transferring the electromagnetic energy stored in the inductance from the source to the receiver [4, 5] and contains an additional winding 17 of the transformer 8 connected to a diode bridge 18, the DC diagonal of which is shunted by a smoothing capacitor 19 and voltage sensor 20. In addition, the aforementioned diagonal of the direct current of the diode bridge 18 is loaded on a series-connected circuit of a current sensor 21, inductance 22 and a transistor foreign key 23, included in the current-conducting direction. In parallel with the transistor switch 23, the corresponding terminals of the filter capacitor 6 are connected through a cut-off diode 24. The control input of the transistor switch 23 is connected to the output of the microcontroller 25 [5, p. 385] controlling this switch. The corresponding inputs of the microcontroller 25 are connected to the output of the current sensor 21 and the output of the differential amplifier 26, the direct input of which is connected to the output of the voltage sensor 20, and the inverse input is connected to the output of the load current sensor 11.

Устройство (фиг.2) функционирует следующим образом.The device (figure 2) operates as follows.

Пусть источник питания 5 включен в питающую сеть, включена одна из диагональных пар 1, 2 или 3, 4 тиристоров инвертора и, соответственно, к сглаживающему конденсатору 19 и датчику напряжения 20 приложено напряжение. Это напряжение поступает на вход дифференциального усилителя 26. Пусть имеет место «холостой ход», ток нагрузки равен нулю, тогда на выходе дифференциального усилителя 26 есть сигнал, поступающий на вход микроконтроллера 25. Микроконтроллер 25 включает транзисторный ключ 23 и напряжение на сглаживающем конденсаторе 19 оказывается приложенным к индуктивности 22. Емкость сглаживающего конденсатора 19 примерно на два порядка больше емкости коммутирующего конденсатора 9, поэтому коммутирующий конденсатор 9 перезаряжается током индуктивности 22, приведенным к току первичной обмотки 7 трансформатора 8, и током намагничивания трансформатора 8, тогда как напряжение на сглаживающем конденсаторе 19 лишь постепенно снижается по мере увеличения тока через индуктивность 22 (фиг.3, диаграмма 1). Увеличивается и сигнал с датчика тока 21 индуктивности 22, и через время t_к (см. диаграмму 3 на фиг.3) алгебраическая сумма сигналов с датчика напряжения 20 и датчика тока 21 индуктивности 22 становится равной нулю. Соответственно, сигнал на выходе микроконтроллера 25 становится нулевым и транзисторный ключ 23 «размыкается». Энергия, накопленная в индуктивности 22, переходит в фильтровой конденсатор 6. Затем цикл повторяется.Let the power supply 5 be included in the supply network, one of the diagonal pairs of 1, 2 or 3, 4 thyristors of the inverter is turned on and, accordingly, a voltage is applied to the smoothing capacitor 19 and the voltage sensor 20. This voltage is supplied to the input of the differential amplifier 26. Let “idle” take place, the load current is zero, then at the output of the differential amplifier 26 there is a signal supplied to the input of the microcontroller 25. The microcontroller 25 includes a transistor switch 23 and the voltage across the smoothing capacitor 19 is applied to the inductance 22. The capacity of the smoothing capacitor 19 is approximately two orders of magnitude greater than the capacity of the switching capacitor 9, so the switching capacitor 9 is recharged by the inductance current 22, p reduced to the current of the primary winding 7 of the transformer 8, and the magnetization current of the transformer 8, while the voltage on the smoothing capacitor 19 only gradually decreases with increasing current through the inductance 22 (Fig. 3, diagram 1). The signal from the current sensor 21 of the inductance 22 also increases, and after a time t _k (see diagram 3 in FIG. 3), the algebraic sum of the signals from the voltage sensor 20 and the current sensor 21 of the inductance 22 becomes zero. Accordingly, the signal at the output of the microcontroller 25 becomes zero and the transistor switch 23 "opens". The energy stored in the inductance 22 is transferred to the filter capacitor 6. Then the cycle repeats.

Параметры схемы подобраны таким образом, что при «холостом ходе», то есть при отсутствии нагрузки, коммутирующий конденсатор 9 успевает перезарядиться за время τ₁-Δt, где τ₁ - полупериод работы инвертора, a Δt - время, необходимое для восстановления запирающих свойств тиристоров (см. фиг.3, диаграмма 2).The circuit parameters are selected in such a way that when "idling", that is, when there is no load, the switching capacitor 9 manages to recharge in time τ ₁ -Δt, where τ ₁ is the half-life of the inverter, and Δt is the time required to restore the locking properties of the thyristors (see figure 3, diagram 2).

При появлении тока нагрузки I_d на инверсном входе дифференциального усилителя 26 появляется сигнал, пропорциональный току нагрузки I_d, в результате чего выходной сигнал дифференциального усилителя 26 уменьшается и, соответственно, выходной сигнал микроконтроллера 25 становится равным нулю при меньшем сигнале с датчика тока 21 индуктивности 22, то есть при меньшем токе самой индуктивности 22 (см. диаграммы 5÷8 на фиг.3).When the load current I _d appears on the inverse input of the differential amplifier 26, a signal proportional to the load current I _d appears, as a result of which the output signal of the differential amplifier 26 decreases and, accordingly, the output signal of the microcontroller 25 becomes zero with a smaller signal from the current sensor 21 of the inductance 22 , that is, with a lower current of the inductance 22 itself (see diagrams 5–8 in FIG. 3).

Одновременно с увеличением тока нагрузки I_d (фиг.3, диаграмма 8) растет и частота коммутации инвертора (фиг.3, диаграмма 6). Увеличение сигнала задания U_з (фиг.2) также приводит к росту тока нагрузки и частоты инвертора. При этом Δt=const, так как с ростом тока и частоты обратно пропорционально уменьшается время перезаряда τ₂ - Δt конденсатора 9 (диаграмма 6, фиг.3).Simultaneously with the increase in the load current I _d (Fig. 3, diagram 8), the inverter switching frequency (Fig. 3, diagram 6) also increases. The increase in the reference signal U _s (figure 2) also leads to an increase in the load current and the frequency of the inverter. Moreover, Δt = const, since with increasing current and frequency, the recharge time τ ₂ - Δt of capacitor 9 decreases inversely (diagram 6, Fig. 3).

С ростом тока нагрузки I_d уменьшается средний ток через индуктивность 22 (фиг.3, диаграмма 7). При «критическом» значении тока нагрузки I_d, равном (20÷30)% номинального тока [2], сигнал с датчика тока нагрузки 11 становится больше, чем сигнал с датчика напряжения 20 и циклическая коммутация транзисторного ключа 23 прекращается.With increasing load current I _d decreases the average current through the inductance 22 (figure 3, figure 7). When the "critical" value of the load current I _d equal to (20 ÷ 30)% of the rated current [2], the signal from the load current sensor 11 becomes larger than the signal from the voltage sensor 20 and the cyclic switching of the transistor switch 23 is terminated.

Необходимо отметить, что для нормального функционирования схемы фиг.2 напряжение дополнительной обмотки 17 трансформатора 8 должно быть по крайней мере вдвое меньше, чем напряжение первичной обмотки 7, так как амплитуда напряжения на первичной обмотке 7 вдвое больше напряжения источника питания. Датчик тока нагрузки 11 выполнен на стороне переменного тока, чтобы упростить гальваническую развязку инвертора от нагрузки, и содержит выпрямитель и амплитудный селектор, которые для простоты на фиг.2 не показаны.It should be noted that for the normal operation of the circuit of figure 2, the voltage of the additional winding 17 of the transformer 8 should be at least half the voltage of the primary winding 7, since the voltage amplitude on the primary winding 7 is twice the voltage of the power source. The load current sensor 11 is made on the AC side to simplify the galvanic isolation of the inverter from the load, and contains a rectifier and an amplitude selector, which are not shown in FIG. 2 for simplicity.

Таким образом, в предлагаемом устройстве, во-первых, отсутствуют цепи, параллельные первичной обмотке 7 трансформатора 8, что обеспечивает отсутствие постоянной составляющей в упомянутой обмотке. Во-вторых, при увеличении тока нагрузки соблюдается соотношение I_d/f=const, где f - частота инвертора, что обеспечивает линейность и высокую жесткость внешних характеристик при регулировании напряжения за счет источника питания.Thus, in the proposed device, firstly, there are no circuits parallel to the primary winding 7 of the transformer 8, which ensures the absence of a constant component in said winding. Secondly, with an increase in the load current, the ratio I _d / f = const is observed, where f is the frequency of the inverter, which provides linearity and high rigidity of the external characteristics when regulating the voltage due to the power source.

Технический результат достигнут.The technical result is achieved.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Лайер В.П., Мишин В.Н. Сравнение импульсных тиристорных преобразователей с последовательной емкостной коммутацией // Электротехническая промышленность, сер. Преобразовательная техника, 1974, вып.5(52), с.18...20.1. Layer V.P., Mishin V.N. Comparison of pulsed thyristor converters with series capacitive switching // Electrotechnical industry, ser. Conversion Technology, 1974, issue 5 (52), p. 18 ... 20.

2. Л.Т.Магазинник. Однофазные источники питания инверторного типа с конденсаторами в силовой цепи. Электромеханика. Известия вузов, №6, г.Новочеркасск. 2003, с.21...24.2. L.T. Shop. Single-phase inverter-type power supplies with capacitors in the power circuit. Electromechanics. University proceedings, No. 6, Novocherkassk. 2003, p.21 ... 24.

3. О.Г.Булатов, А.И.Царенко, В.Д.Поляков. Тиристорно-конденсаторные источники питания для электротехнологии. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 200 с.3. O. G. Bulatov, A. I. Tsarenko, V. D. Polyakov. Thyristor-capacitor power supplies for electrical technology. - M .: Energoatomizdat, 1989 .-- 200 p.

4. Г.Б.Онищенко, И.Л.Локтева. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. - М.: Энергия, 1979, - 200 с., рис.3-29, с.101.4. G. B. Onishchenko, I. L. Lokteva. Asynchronous valve stages and dual power motors. - M .: Energy, 1979, - 200 p., Fig. 3-29, p. 101.

5. В.А.Прянишников. Электроника. Санкт-Петербург, 1998, рис.34.3, с.382.5. V.A. Pryanishnikov. Electronics. St. Petersburg, 1998, fig. 34.3, p. 382.

Claims

A thyristor inverter with capacitors in the power circuit, containing a thyristor bridge, the DC diagonal of which is connected to a power source shunted by a filter capacitor, and the primary winding of the transformer is connected in series with the switching capacitor in the diagonal of the alternating current, the secondary winding of the transformer is connected in series with the load current sensor to the diode a rectifier, the DC terminals of which are connected in series with the inductor to the load, and also containing rhenium of the control range and the control system closed by negative feedback on the load current, characterized in that the control system is made with pulse-frequency current control, the expansion range expansion unit is made according to the principle of transferring electromagnetic energy stored in the inductance from the source to the receiver and contains as a source of electricity, an additional winding of the aforementioned transformer connected to a diode bridge, the DC diagonal of which is shunt connected by a smoothing capacitor and a voltage sensor, loaded onto a series-connected circuit of a current sensor, inductance and a transistor switch included in the current-conducting direction, the corresponding terminals of the filter capacitor are connected through a cut-off diode, the control input of the transistor switch is connected to the output of the transistor control microcontroller key, the corresponding inputs of the microcontroller are connected to the output of the current sensor and the output of the differential amplifier, a direct input of which is connected to the output of said voltage sensor, and the inverted input connected to the output load current sensor.