RU2372706C1 - Device for connection of controlled voltage rectifier to source of ac voltage - Google Patents
Device for connection of controlled voltage rectifier to source of ac voltage Download PDFInfo
- Publication number
- RU2372706C1 RU2372706C1 RU2008111382/09A RU2008111382A RU2372706C1 RU 2372706 C1 RU2372706 C1 RU 2372706C1 RU 2008111382/09 A RU2008111382/09 A RU 2008111382/09A RU 2008111382 A RU2008111382 A RU 2008111382A RU 2372706 C1 RU2372706 C1 RU 2372706C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- terminal
- current
- voltage
- rectifier
- capacitor
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Устройство относится к электротехнике, в частности к устройствам для преобразования переменного тока в постоянный и, наоборот, постоянного тока в переменный с использованием полупроводниковых приборов: транзисторов и диодов - в мостовой схеме.The device relates to electrical engineering, in particular to devices for converting alternating current into direct current and, conversely, direct current into alternating current using semiconductor devices: transistors and diodes in a bridge circuit.
Управляемые выпрямители напряжения, которые также известны под названиями: активные выпрямители или четырехквадрантные преобразователи, применяются в качестве выпрямителя для питания потребителей постоянного тока или, вместе с автономными инверторами, в составе преобразователей частоты. У любых управляемых выпрямителей напряжения каждое вентильное плечо может проводить ток в обоих направлениях и представляет собой встречно-параллельное соединение электронного ключа с односторонней проводимостью и диода, проводящего ток в обратном, по отношению к электронному ключу, направлению. В анодную группу наиболее распространенного мостового управляемого выпрямителя напряжения входят вентильные плечи, у которых аноды диодов соединены с отрицательным выходным зажимом выпрямителя, а в катодную группу - вентильные плечи, у которых катоды диодов соединены с положительным выходным зажимом выпрямителя. К выходным зажимам такого выпрямителя подключены выходной конденсатор, являющийся обязательным элементом любого управляемого выпрямителя напряжения, и нагрузка. Катод диода каждого вентильного плеча анодной группы соединен с анодом диода вентильного плеча одной из катодных групп и с одним из входных зажимов выпрямителя. Входные зажимы выпрямителя соединены с источником напряжения переменного тока. Эти выпрямители, под действием поступающих на электронные ключи сигналов, преобразуют энергию переменного тока на входе в энергию постоянного тока на выходе. В этом случае такие выпрямители работают в выпрямительном режиме, как и простейшие, составленные только из диодов, выпрямители тока. При изменении направления потока энергии в нагрузке, когда она не потребляет энергию, а отдает ее, переходя в генераторный режим, такие выпрямители способны, под действием управляющих сигналов, преобразовывать энергию постоянного тока, поступающую от нагрузки к выходу управляемого выпрямителя напряжения, в энергию переменного тока. Эта энергия передается с входных зажимов выпрямителя в источник напряжения переменного тока. В этом случае такие выпрямители работают в инверторном режиме.Controlled voltage rectifiers, which are also known as active rectifiers or four-quadrant converters, are used as a rectifier to power DC consumers or, together with stand-alone inverters, as part of frequency converters. For any controlled voltage rectifiers, each valve arm can conduct current in both directions and is a counter-parallel connection of an electronic key with one-sided conductivity and a diode conducting current in the opposite direction to the electronic key. The anode group of the most common bridge controlled voltage rectifier includes valve arms, in which the anode diodes are connected to the negative output terminal of the rectifier, and the cathode group includes valve arms, in which the cathode diodes are connected to the positive output terminal of the rectifier. An output capacitor, which is an indispensable element of any controlled voltage rectifier, and a load are connected to the output terminals of such a rectifier. The cathode of the diode of each valve arm of the anode group is connected to the anode of the valve of the valve arm of one of the cathode groups and to one of the input terminals of the rectifier. The rectifier input terminals are connected to an AC voltage source. These rectifiers, under the action of the signals received by the electronic keys, convert the energy of the alternating current at the input to the energy of the direct current at the output. In this case, such rectifiers operate in the rectifier mode, as well as the simplest rectifiers composed only of diodes. When the direction of the flow of energy in the load changes, when it does not consume energy, but gives it away, switching to the generator mode, such rectifiers are capable, under the influence of control signals, to convert the direct current energy coming from the load to the output of the controlled voltage rectifier into alternating current energy . This energy is transferred from the input terminals of the rectifier to an AC voltage source. In this case, such rectifiers operate in inverter mode.
После подключения входных зажимов выпрямителя к источнику переменного тока выходной конденсатор сначала заряжается в неуправляемом режиме, через диоды, до амплитудного значения напряжения источника. При этом имеет место короткое замыкание цепи, в которой последовательно включены ЭДС источника, диоды и ЭДС выходного конденсатора. Ток и ЭДС конденсатора в неуправляемом режиме направлены встречно. Дальнейший процесс заряда конденсатора происходит в управляемом режиме путем управления моментами включения и отключения электронных ключей с частотой, которая во много раз превосходит частоту источника. При этом обеспечивается близкая к синусоиде форма входного тока выпрямителя. Во время включенного состояния электронных ключей имеет место короткое замыкание цепи, в которой последовательно включены ЭДС источника и ЭДС выходного конденсатора. В управляемом режиме при включенном состоянии электронных ключей ток и ЭДС конденсатора направлены согласно. Когда ключи отключаются, то входные токи управляемого выпрямителя переходят на диоды, при этом ток и ЭДС конденсатора в неуправляемом режиме направлены встречно, как в неуправляемом режиме. Для ограничения входного тока выпрямителя в неуправляемом режиме и скорости нарастания тока короткого замыкания в управляемом режиме при замыкании электронных ключей в указанной короткозамкнутой цепи должны содержаться токоограничивающие элементы. Они защищают диоды, электронные ключи и конденсаторы управляемого выпрямителя от разрушения под действием сверхтоков.After connecting the input terminals of the rectifier to an AC source, the output capacitor is first charged in an uncontrolled mode, through diodes, to the amplitude value of the source voltage. In this case, a short circuit occurs in which the emf of the source, diodes and emf of the output capacitor are connected in series. The current and the EMF of the capacitor in an uncontrolled mode are directed in the opposite direction. The further process of charging the capacitor occurs in a controlled mode by controlling the moments of switching on and off electronic keys with a frequency that is many times higher than the frequency of the source. This ensures that the rectifier input current is close to a sinusoid. During the on state of the electronic keys, a short circuit occurs in which the emf of the source and the emf of the output capacitor are connected in series. In the controlled mode, with the electronic keys on, the current and the EMF of the capacitor are directed according to. When the keys are turned off, the input currents of the controlled rectifier pass to the diodes, while the current and the EMF of the capacitor in an uncontrolled mode are counter-directed, as in an uncontrolled mode. To limit the input current of the rectifier in uncontrolled mode and the rate of rise of the short circuit current in controlled mode when the electronic keys are shorted, the specified short-circuited circuit must contain current-limiting elements. They protect diodes, electronic switches and capacitors of a controlled rectifier from destruction by overcurrents.
Известно устройство для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока, в котором имеются токоограничивающие цепи, по одной на каждый входной зажим выпрямителя.A device for connecting a controlled voltage rectifier to an AC voltage source in which there are current-limiting circuits, one for each input terminal of the rectifier.
У известного устройства (аналога) в качестве токоограничивающего элемента используется индуктивный элемент, индуктивное сопротивление которого на частоте источника напряжения во много раз превосходит активное сопротивление этого элемента. Схемы аналога приведены в [1, рис.25.3] для однофазного и в [2] для трехфазного вариантов управляемого мостового выпрямителя напряжения.A known device (analog) uses an inductive element as a current-limiting element, the inductive resistance of which at the frequency of the voltage source is many times greater than the active resistance of this element. Analog circuits are given in [1, Fig. 25.3] for single-phase and in [2] for three-phase versions of a controlled bridge voltage rectifier.
Роль индуктивного элемента, полностью или частично, может играть токоограничивающий реактор, включаемый на входе управляемого выпрямителя напряжения, а также индуктивное сопротивление коммутации синхронного генератора или индуктивное сопротивление короткого замыкания трансформатора, которые предназначены именно для питания указанного выпрямителя. Индуктивность индуктивного элемента должна быть не больше такой, которая обеспечивает достижение максимального значения производной заданной синусоиды входного тока выпрямителя в управляемом режиме его работы.The role of the inductive element, in whole or in part, can be played by a current-limiting reactor that is switched on at the input of a controlled voltage rectifier, as well as the inductive switching resistance of a synchronous generator or the inductive short circuit resistance of a transformer, which are designed specifically to power the specified rectifier. The inductance of the inductive element should be no greater than that which ensures the maximum value of the derivative of the given sinusoid of the input current of the rectifier in a controlled mode of its operation.
Недостаток аналога заключается в том, что индуктивное сопротивление такого индуктивного элемента оказывается слишком малым для ограничения пускового тока, возникающего при подключении управляемого выпрямителя напряжения с незаряженным выходным конденсатором к источнику переменного нерегулируемого напряжения. Большой входной ток выпрямителя, являющийся, по сути, током короткого замыкания источника на токоограничивающие индуктивные элементы, может вывести из строя диоды выпрямителя, внутренние проводники выходного конденсатора и соединительные провода. Способ подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику, используемый в аналоге, может безопасно применяться при постепенном увеличении напряжения источника по мере заряда выходного конденсатора управляемого выпрямителя напряжения. Такой процесс может быть осуществлен, например, при питании управляемого выпрямителя напряжения непосредственно от синхронного генератора, в частности от генераторов ветроэлектрических станций.A disadvantage of the analogue is that the inductive resistance of such an inductive element is too small to limit the inrush current that occurs when a controlled voltage rectifier with an uncharged output capacitor is connected to an unregulated voltage source. The high input current of the rectifier, which is, in fact, the short circuit current of the source to current-limiting inductive elements, can damage the rectifier diodes, the internal conductors of the output capacitor and the connecting wires. The method of connecting a controlled voltage rectifier to a source, used in the analogue, can be safely used with a gradual increase in the voltage of the source as the output capacitor of the controlled voltage rectifier charges. Such a process can be carried out, for example, by supplying a controlled voltage rectifier directly from a synchronous generator, in particular from generators of wind power stations.
Известно также устройство для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству и выбранное в качестве прототипа, принципиальная схема которого приведена в [3, стр.2].There is also known a device for connecting a controlled voltage rectifier to a voltage source, the closest in technical essence to the claimed device and selected as a prototype, the circuit diagram of which is given in [3, p.2].
Известное устройство для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока содержит токоограничивающие цепи, по одной на каждый входной зажим выпрямителя, каждая из которых соединяет входной зажим указанного устройства, подключенный к одному из выходных зажимов упомянутого источника напряжения, с выходным зажимом указанного устройства, подключенным к одному из входных зажимов управляемого выпрямителя напряжения, причем каждая токоограничивающая цепь содержит индуктивный элемент, дополнительный токоограничивающий элемент, а также первый и второй выключатели, первые зажимы которых подключены к входному зажиму указанного устройства, а второй зажим второго выключателя через дополнительный токоограничивающий элемент подключен ко второму зажиму первого выключателя и соединен с первым зажимом индуктивного элемента, второй зажим которого подключен к выходному зажиму указанного устройства.A known device for connecting a controlled voltage rectifier to an AC voltage source contains current-limiting circuits, one for each input terminal of the rectifier, each of which connects the input terminal of the specified device, connected to one of the output terminals of the voltage source, with the output terminal of the specified device connected to one of the input terminals of a controlled voltage rectifier, and each current-limiting circuit contains an inductive element, an additional the first current-limiting element, as well as the first and second switches, the first clamps of which are connected to the input terminal of the specified device, and the second terminal of the second switch through an additional current-limiting element is connected to the second terminal of the first switch and connected to the first terminal of the inductive element, the second terminal of which is connected to the output clamp the specified device.
В прототипе в качестве дополнительных токоограничивающих элементов применены пусковые резисторы, а вторые зажимы вторых выключателей непосредственно подключены к первым зажимам индуктивных элементов.In the prototype, starting resistors are used as additional current-limiting elements, and the second terminals of the second switches are directly connected to the first terminals of the inductive elements.
Первоначальное подключение известного управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока осуществляется одновременным замыканием первых выключателей во всех токоограничивающих цепях при разомкнутом состоянии вторых выключателей. Благодаря совместному действию индуктивностей индуктивных элементов и активных сопротивлений пусковых резисторов максимальное значение токов, поступающих от источника через токоограничивающие цепи на входы управляемого выпрямителя напряжения, удается снизить до безопасного значения. После окончания неуправляемого процесса заряда выходного конденсатора, когда входной ток управляемого выпрямителя напряжения падает до нулевого значения, первые выключатели размыкаются, а вторые - замыкаются. При этом входные зажимы управляемого выпрямителя напряжения оказываются подключенными к выходным зажимам источника напряжения переменного тока через замкнутые вторые выключатели и индуктивные элементы. Управляемый выпрямитель напряжения готов к работе в управляемом режиме.The initial connection of the known controlled voltage rectifier to the AC voltage source is carried out by simultaneously closing the first switches in all current-limiting circuits when the second switches are open. Due to the combined action of the inductances of inductive elements and the active resistances of the starting resistors, the maximum value of the currents coming from the source through current-limiting circuits to the inputs of a controlled voltage rectifier can be reduced to a safe value. After the end of the uncontrolled process of charging the output capacitor, when the input current of the controlled voltage rectifier drops to zero, the first switches open, and the second - close. In this case, the input terminals of the controlled voltage rectifier are connected to the output terminals of the AC voltage source through closed second switches and inductive elements. The controlled voltage rectifier is ready for operation in a controlled mode.
Основные недостатки известного устройства для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения заключаются в следующем.The main disadvantages of the known device for connecting a controlled voltage rectifier to a voltage source are as follows.
1. В пусковых резисторах выделяется большая энергия в виде тепла, и возникает проблема его отвода. Чем больше токоограничивающее влияние пусковых резисторов и, следовательно, отношение активного сопротивления пускового резистора к модулю комплексного сопротивления, состоящего из указанного активного сопротивления и индуктивного сопротивления (на частоте источника напряжения) индуктивного элемента, тем ближе суммарные потери энергии в пусковых резисторах за время заряда выходного конденсатора управляемого выпрямителя напряжения к электрической энергии, запасенной в этом конденсаторе.1. In the starting resistors, a lot of energy is released in the form of heat, and there is a problem of its removal. The greater the current-limiting effect of the starting resistors and, therefore, the ratio of the starting resistance of the starting resistor to the complex resistance module, consisting of the specified active resistance and inductive resistance (at the frequency of the voltage source) of the inductive element, the closer the total energy loss in the starting resistors during the charge of the output capacitor controlled rectifier voltage to the electrical energy stored in this capacitor.
2. Чем больше отношение активного сопротивления пускового резистора к модулю комплексного сопротивления, состоящего из указанного активного сопротивления и индуктивного сопротивления индуктивного элемента, тем ближе входная вольт-амперная характеристика управляемого выпрямителя напряжения к линейной. (У указанной вольт-амперной характеристики фазное напряжение холостого хода равно фазному напряжению источника, а ток короткого замыкания равен отношению этого напряжения к модулю указанного комплексного сопротивления.) При этом пропорционально возрастанию напряжения выходного конденсатора управляемого выпрямителя напряжения снижается его зарядный ток. Время заряда этого конденсатора велико. Оно составляет несколько значений постоянной времени, которая примерно равна произведению емкости выходного конденсатора на удвоенное сопротивление пускового резистора.2. The larger the ratio of the active resistance of the starting resistor to the complex resistance module, consisting of the specified active resistance and inductive resistance of the inductive element, the closer the input current-voltage characteristic of the controlled voltage rectifier to linear. (At the indicated volt-ampere characteristic, the open circuit phase voltage is equal to the phase voltage of the source, and the short circuit current is equal to the ratio of this voltage to the module of the indicated complex resistance.) In this case, the charge current decreases in proportion to the increase in the voltage of the output capacitor of the controlled voltage rectifier. The charge time of this capacitor is long. It amounts to several values of the time constant, which is approximately equal to the product of the capacitance of the output capacitor and the doubled resistance of the starting resistor.
3. Напряжение выходного конденсатора после отключения пусковых резисторов первыми выключателями и замыкания вторых выключателей равно амплитудному значению линейного напряжения источника. Если на завершающей стадии заряда это напряжение было меньше, чем после включения вторых выключателей, то управляемый выпрямитель напряжения не сможет какое-то время работать в управляемом режиме. Входящие в состав управляемого выпрямителя напряжения диоды станут заряжать выходной конденсатор до нового, повышенного, амплитудного значения линейного напряжения источника.3. The voltage of the output capacitor after turning off the starting resistors by the first switches and closing the second switches is equal to the amplitude value of the linear voltage of the source. If at the final stage of the charge this voltage was less than after turning on the second switches, then the controlled voltage rectifier will not be able to work in a controlled mode for some time. The diodes included in the controlled voltage rectifier will charge the output capacitor to a new, increased, amplitude value of the source linear voltage.
4. Частота коммутации электронных ключей управляемого выпрямителя напряжения в десятки и сотни раз больше частоты источника, от которого питается управляемый выпрямитель напряжения. Поэтому пульсации (отклонения от заданной синусоиды) входного тока управляемого выпрямителя напряжения не превосходят допустимых пределов. Но пульсации напряжения на зажимах этого источника могут во много раз превосходить допустимые нормы. И этот недостаток проявляется тем сильнее, чем больше фазная индуктивность внутреннего сопротивления источника по отношению к индуктивности индуктивного элемента рассматриваемого устройства. (Если эти индуктивности равны между собой, то указанные пульсации достигают половины напряжения выходного конденсатора, а это напряжения должно превосходить амплитудное значение линейного напряжения источника.) При работе источника (генератора или трансформатора) только на управляемый выпрямитель напряжения этот недостаток не учитывается. Он проявляется в том случае, когда помимо управляемого выпрямителя напряжения источник питает другие потребители электроэнергии (в частности, устройства управления управляемым выпрямителем напряжения), особенно по отношению к потребителям с низким значением входной индуктивности. При этом возникают дополнительные потери мощности, дополнительный нагрев и ухудшение характеристик потребителей электроэнергии, а также электромагнитные помехи, ухудшающие электромагнитную совместимость управляемого выпрямителя напряжения с другими элементами электроустановок.4. The switching frequency of electronic keys of a controlled voltage rectifier is tens and hundreds of times higher than the frequency of the source from which the controlled voltage rectifier is powered. Therefore, the ripple (deviation from the given sinusoid) of the input current of the controlled voltage rectifier does not exceed the allowable limits. But voltage ripples at the terminals of this source can many times exceed permissible norms. And this drawback is manifested the stronger, the greater the phase inductance of the internal resistance of the source with respect to the inductance of the inductive element of the device in question. (If these inductances are equal to each other, then the indicated ripple reaches half the voltage of the output capacitor, and this voltage should exceed the amplitude value of the linear voltage of the source.) When the source (generator or transformer) works only on a controlled voltage rectifier, this disadvantage is not taken into account. It manifests itself in the case when, in addition to the controlled voltage rectifier, the source feeds other electric consumers (in particular, the control devices of the controlled voltage rectifier), especially with respect to consumers with a low input inductance. This leads to additional power losses, additional heating and deterioration of the characteristics of consumers of electricity, as well as electromagnetic interference, worsening the electromagnetic compatibility of the controlled voltage rectifier with other elements of electrical installations.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение энергетических и динамических показателей стадии неуправляемого заряда выходного конденсатора управляемого выпрямителя напряжения и улучшения электромагнитной совместимости этого выпрямителя с другими элементами электроустановок при минимизации массовых и габаритных показателей предлагаемого устройства для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока.The task to which the invention is directed is to increase the energy and dynamic indicators of the uncontrolled charge stage of the output capacitor of a controlled voltage rectifier and improve the electromagnetic compatibility of this rectifier with other elements of electrical installations while minimizing the mass and overall parameters of the proposed device for connecting a controlled voltage rectifier to an alternating voltage source current.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в снижении в десятки раз потерь мощности и энергии при предварительном заряде выходного конденсатора управляемого выпрямителя напряжения, снижении времени предварительного заряда указанного конденсатора, увеличении напряжения на этом конденсаторе после окончания его предварительного заряда и значительном снижении пульсации напряжения на зажимах источника напряжения в рабочем режиме управляемого выпрямителя напряжения.The technical result that is achieved when solving the problem is expressed in a tenfold reduction in power and energy losses during the preliminary charge of the output capacitor of the controlled voltage rectifier, a decrease in the precharge time of the specified capacitor, an increase in the voltage on this capacitor after the end of its preliminary charge and a significant reduction in ripple voltage at the terminals of the voltage source in the operating mode of the controlled voltage rectifier.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока, содержащее токоограничивающие цепи, по одной на каждый входной зажим выпрямителя, каждая из которых соединяет входной зажим указанного устройства, подключенный к одному из выходных зажимов упомянутого источника напряжения, с выходным зажимом указанного устройства, подключенным к одному из входных зажимов управляемого выпрямителя напряжения, причем каждая токоограничивающая цепь содержит индуктивный элемент, дополнительный токоограничивающий элемент, а также первый и второй выключатели, первые зажимы которых подключены к входному зажиму указанного устройства, а второй зажим второго выключателя через дополнительный токоограничивающий элемент подключен ко второму зажиму первого выключателя и соединен с первым зажимом индуктивного элемента, второй зажим которого подключен к выходному зажиму указанного устройства, в каждую токоограничивающую цепь введены первый реактор, который включен в качестве дополнительного токоограничивающего элемента, а также второй реактор, включенный между вторым зажимом второго выключателя и первым зажимом индуктивного элемента, и конденсатор, один из зажимов которого подключен к первому зажиму индуктивного элемента, а другой зажим конденсатора подключен к общему для всех токоограничивающих цепей нулевому зажиму.The problem is achieved in that in a device for connecting a controlled voltage rectifier to an AC voltage source containing current-limiting circuits, one for each input terminal of the rectifier, each of which connects the input terminal of the specified device, connected to one of the output terminals of the voltage source, with an output terminal of the specified device connected to one of the input terminals of a controlled voltage rectifier, each current-limiting circuit containing t is an inductive element, an additional current-limiting element, and also the first and second switches, the first clamps of which are connected to the input terminal of the specified device, and the second terminal of the second switch is connected via an additional current-limiting element to the second terminal of the first switch and connected to the first terminal of the inductive element, the second terminal which is connected to the output terminal of the specified device, in each current-limiting circuit introduced the first reactor, which is included as an additional oogranichivayuschego element and a second reactor connected between the second terminal of the second switch and the first terminal of the inductive element and a capacitor, one of terminals is connected to the first terminal of the inductive element and the other clamp capacitor is connected to a common current-limiting circuits for all zero clamp.
Поставленная задача достигается также тем, что обмотки первого и второго реакторов размещены на одном магнитном сердечнике.The task is also achieved by the fact that the windings of the first and second reactors are placed on the same magnetic core.
Поставленная задача достигается также тем, что обмотки первого и второго реакторов, а также индуктивного элемента размещены на одном магнитном сердечнике.The task is also achieved by the fact that the windings of the first and second reactors, as well as the inductive element are placed on one magnetic core.
Поставленная задача достигается также тем, что числа входных и выходных зажимов устройства равны двум, при этом вторая токоограничивающая цепь заменяется линией, соединяющей один из двух входных зажимов устройства с одним из двух выходных зажимов устройства и со вторым зажимом конденсатора.The task is also achieved by the fact that the number of input and output terminals of the device are equal to two, while the second current-limiting circuit is replaced by a line connecting one of the two input terminals of the device with one of the two output terminals of the device and with the second clamp of the capacitor.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».A comparative analysis of the features of the proposed solution and the characteristics of the analogue and prototype indicates its compliance with the criterion of "novelty."
Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи.Distinctive features of the proposed solutions perform the following functional tasks.
Признак «… в каждую токоограничивающую цепь введен первый реактор, который включен в качестве дополнительного токоограничивающего элемента…» позволяет во много раз снизить потери мощности в дополнительном токоограничивающем элементе по сравнению с прототипом, в котором функции этого элемента выполнял пусковой резистор; у реактора имеются небольшие потери мощности в его обмотке и в магнитном сердечнике, если реактор его имеет.The sign "... a first reactor is introduced into each current-limiting circuit, which is included as an additional current-limiting element ..." allows many times to reduce power losses in the additional current-limiting element compared to the prototype, in which the starting resistor performed the functions of this element; the reactor has small power losses in its winding and in the magnetic core, if the reactor has it.
Признак «… в каждую токоограничивающую цепь введены первый реактор, который включен в качестве дополнительного токоограничивающего элемента, а также второй реактор, включенный между вторым зажимом второго выключателя и первым зажимом индуктивного элемента, и конденсатор…» позволяет получить такую схему замещения источника и устройства в виде активного двухполюсника, в которой внутреннее сопротивление источника является практически индуктивным. Это обеспечивает выпуклую вольт-амперную входную характеристику управляемого выпрямителя напряжения в неуправляемом режиме его работы. При этом значительно сокращается время процесса заряда выходного конденсатора управляемого выпрямителя по сравнению с этим же показателем прототипа.The sign "... a first reactor is introduced into each current-limiting circuit, which is included as an additional current-limiting element, as well as a second reactor, connected between the second terminal of the second switch and the first terminal of the inductive element, and the capacitor ..." allows you to obtain such a source and device equivalent circuit in the form active bipolar, in which the internal resistance of the source is almost inductive. This provides a convex current-voltage input characteristic of a controlled voltage rectifier in an uncontrolled mode of its operation. This significantly reduces the time of the process of charging the output capacitor of the controlled rectifier in comparison with the same indicator of the prototype.
Признак « …в каждую токоограничивающую цепь введены первый реактор,… а также второй реактор, включенный между вторым зажимом второго выключателя и первым зажимом индуктивного элемента, и конденсатор, один из зажимов которого подключен к первому зажиму индуктивного элемента, а второй зажим конденсатора подключен к общему для всех токоограничивающих цепей нулевому зажиму…» позволяет получить на входе управляемого выпрямителя, в неуправляемом режиме его работы, Т-образный реактивный фильтр, составленный из индуктивных элементов, первых и вторых реакторов и конденсаторов. При этом входное напряжение управляемого выпрямителя при окончании неуправляемого режима заряда выходного конденсатора управляемого выпрямителя превосходит напряжение источника, а также входное напряжение управляемого выпрямителя в управляемом режиме его работы.The sign "... a first reactor is introduced into each current-limiting circuit, ... as well as a second reactor connected between the second terminal of the second switch and the first terminal of the inductive element, and a capacitor, one of the terminals of which is connected to the first terminal of the inductive element, and the second terminal of the capacitor is connected to a common for all current-limiting circuits to the zero terminal ... ”allows you to get at the input of a controlled rectifier, in an uncontrolled mode of its operation, a T-shaped reactive filter, composed of inductive elements, first x and second reactors and capacitors. In this case, the input voltage of the controlled rectifier at the end of the uncontrolled charge mode of the output capacitor of the controlled rectifier exceeds the voltage of the source, as well as the input voltage of the controlled rectifier in the controlled mode of its operation.
Признак « …в каждую токоограничивающую цепь введены…второй реактор, включенный между вторым зажимом второго выключателя и первым зажимом индуктивного элемента, и конденсатор, один из зажимов которого подключен к первому зажиму индуктивного элемента, а второй зажим конденсатора подключен к общему для всех токоограничивающих цепей нулевому зажиму…» позволяет получить на входе управляемого выпрямителя, в управляемом режиме его работы, Т-образный реактивный фильтр нижних частот, составленный из индуктивных элементов, вторых реакторов и конденсаторов. При этом напряжение конденсатора и входное напряжение предлагаемого устройства практически синусоидальны.The sign "... is introduced into each current-limiting circuit ... a second reactor connected between the second terminal of the second switch and the first terminal of the inductive element, and a capacitor, one of the terminals of which is connected to the first terminal of the inductive element, and the second terminal of the capacitor is connected to the common zero for all current-limiting circuits clamp ... ”allows you to get at the input of a controlled rectifier, in a controlled mode of its operation, a T-shaped low-pass filter made up of inductive elements, second reactors and capacitors. In this case, the capacitor voltage and the input voltage of the proposed device are almost sinusoidal.
Признак «… обмотки первого и второго реакторов размещены на одном магнитном сердечнике…» позволяет уменьшить массу и габариты устройства, так как с увеличением расчетной мощности статического электромагнитного устройства его удельные показатели: отношения его массы и объема к расчетной мощности - снижаются.The sign "... the windings of the first and second reactors are located on the same magnetic core ..." allows you to reduce the mass and dimensions of the device, because with an increase in the rated power of the static electromagnetic device, its specific indicators: the ratio of its mass and volume to the rated power, decrease.
Признак «… обмотки первого и второго реакторов, а также индуктивного элемента размещены на одном магнитном сердечнике…» позволяет уменьшить массу и габариты устройства по той же причине.The sign "... the windings of the first and second reactors, as well as the inductive element are located on the same magnetic core ..." allows you to reduce the mass and dimensions of the device for the same reason.
Признак, относящийся к однофазному устройству для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения, «… числа входных и выходных зажимов устройства равны двум, при этом вторая токоограничивающая цепь заменяется линией, соединяющей один из двух входных зажимов устройства с одним из двух выходных зажимом устройства и со вторым зажимом конденсатора…» позволяет уменьшить массу и габариты устройства по той же причине. В этом случае каждые из двух статических электромагнитных устройств: первые реакторы, вторые реакторы, индуктивные элементы и конденсаторы - заменяются одним.A sign related to a single-phase device for connecting a controlled voltage rectifier to a voltage source, "... the number of input and output terminals of the device are two, while the second current-limiting circuit is replaced by a line connecting one of the two input terminals of the device with one of the two output terminals of the device and the second clamp of the capacitor ... ”allows to reduce the mass and dimensions of the device for the same reason. In this case, each of two static electromagnetic devices: the first reactors, the second reactors, inductive elements and capacitors are replaced by one.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока в трехфазном исполнении; на фиг 2 - то же в однофазном исполнении; на фиг.3 и фиг.4 показаны фрагменты принципиальной схемы одной токоограничивающей цепи; на фиг.5 изображены внешняя характеристика заявленного устройства (утолщенной линией) и внешняя характеристика прототипа (тонкой линией).The invention is illustrated in the drawing, where Fig.1 shows a functional diagram of a device for connecting a controlled voltage rectifier to an AC voltage source in a three-phase design; in Fig 2 - the same in a single-phase design; figure 3 and figure 4 shows fragments of a circuit diagram of one current-limiting circuit; figure 5 shows the external characteristic of the claimed device (thickened line) and the external characteristic of the prototype (thin line).
Устройство 1 для подключения управляемого выпрямителя 2 напряжения к источнику 3 напряжения переменного тока содержит токоограничивающие цепи, соединяющие входные зажимы 4 и выходные зажимы 5 устройства 1. Для трехфазного варианта (фиг.1) таких цепей три, а в однофазном варианте (фиг.2) содержится одна токоограничивающая цепь. Входные зажимы 4 устройства 1 подключены к выходным зажимам 6 источника 3 напряжения переменного тока, а выходные зажимы 5 устройства 1 подключены к входным зажимам 7 управляемого выпрямителя напряжения 2. Каждая токоограничивающая цепь содержит первые реакторы 8 (дополнительные токоограничивающие элементы), вторые реакторы 9, индуктивные элементы 10, конденсаторы 11, первые выключатели 12 и вторые выключатели 13. Первые зажимы 14 и 15 выключателей 12 и 13 подключены друг к другу и к входным зажимам 4 устройства 1. Вторые зажимы 16 вторых выключателей 13 через первые реакторы 8 подключены к вторым зажимам 17 первых выключателей 12, а через вторые реакторы 9 - к первым зажимам 18 индуктивных элементов 10. Вторые зажимы последних являются выходными зажимами 5 устройства 1. В трехфазном варианте (фиг.1) между зажимами 18 и общим зажимам 19 (нулевой точкой) включены конденсаторы 11.A
Первые реакторы 8 могут выполняться в виде катушек, как помещенных на отдельных магнитопроводах, так и не имеющих магнитопроводов. Все три катушки реакторов 8 могут размещаться и на одном трехфазном магнитопроводе. Все, что сказано относительно конструктивных особенностей реакторов 8, в полной мере относится и к вторым реакторам 9 и к индуктивным элементам 10.The
В однофазном варианте (фиг.2) один зажим конденсатора 11 подключен к первому зажиму 18 индуктивного элемента 10, а другой к общему зажиму 19, подключенному к одному из входных зажимов 4 и одному из выходных зажимов 5 устройства 1.In the single-phase version (figure 2), one
На фиг.3 показано, что катушки первого и второго реакторов 8 и 9 помещены на общий однофазный магнитопровод 20. На фиг.4 показано, что помимо этих катушек на общий однофазный магнитопровод 21 помещена и катушка индуктивного элемента 10. Для трехфазного устройства 1 магнитные системы 20 и 21 могут иметь трехфазное исполнение. В этом случае, применительно к фиг.3, на магнитопроводе 20 помещают шесть катушек (по три первых реакторов 8 и вторых 9), а применительно к фиг.4, на магнитопроводе 21 помещают все девять катушек устройства 1.Figure 3 shows that the coils of the first and
На чертеже и в описании изобретения в управляемом выпрямителе 2 напряжения дополнительно обозначены:In the drawing and in the description of the invention in a controlled
22 - конденсатор;22 - capacitor;
23 - диоды;23 - diodes;
24 - электронные ключи;24 - electronic keys;
25 - выходные зажимы.25 - output clamps.
Устройство для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока работает следующим образом.A device for connecting a controlled voltage rectifier to an AC voltage source operates as follows.
До подключения к источнику 3 напряжение uНГ конденсатора 22 управляемого выпрямителя 2 равно нулю, а оба выключателя 12 и 13 разомкнуты. При замыкании первого выключателя 12 начинается неуправляемый процесс заряда конденсатора 22: по цепям устройства 1, диодам 23 и конденсатору 22 начинают проходить токи. Каждый фазный входной ток i2, проходящий по реакторам 8 и 9, разделяется на два тока: ток iC конденсатора 11 и проходящий по индуктивному элементу 10 входному току iВХ выпрямителя 2. Трехфазный ток iВХ преобразуется неуправляемым (составленным из диодов 23) выпрямителем в выходной ток iЗ, который, при равенстве нулю тока нагрузки iНГ, равен току iK, заряжающему конденсатор 22. В результате напряжение uНГ конденсатора 22 начинает возрастать. Емкость конденсатора 22 настолько велика, что время его заряда превосходит период напряжения источника 2 напряжения переменного тока в тысячи раз. Анализ столь медленных процессов можно производить методом медленно меняющихся амплитуд, рассматривая действие первых гармоник токов и напряжений в устройстве 1. В этом случае внешняя характеристика устройства 1 определяется выражениемBefore connecting to the source 3, the voltage u of the NG
в котором использованы обозначения действующих значений первых гармоник фазных напряжений: входного UВХ выпрямителя 2 и источника 3 U - и входных токов выпрямителя 2: текущего IВХ и начального IКЗ. Напряжение UВХ и ток IВХ пропорциональны средним значениям напряжения uНГ и тока iЗ на выходе выпрямителя 2. Выражение (1) получено при пренебрежении потерями мощности в конденсаторах 11, а также в обмотках и магнитопроводах реакторов 8 и 9 и индуктивного элемента 10. Ток IКЗ является наибольшим входным током выпрямителя 2. Благодаря большому значению индуктивности реактора 8 (оно в несколько раз больше индуктивностей реактора 9 и индуктивного элемента 10) ток IКЗ не выходит за допустимые, безопасные для диодов 23 и конденсатора 22, пределы. Коэффициент k определяется значениями сопротивлений устройства 1:which uses the notation of the effective values of the first harmonics of the phase voltages: input U VX of rectifier 2 and source 3 U - and input currents of rectifier 2: current I VX and initial I short circuit . The voltage U BX and current I BX are proportional to the average values of voltage u NG and current i 3 at the output of
где ХС - сопротивление конденсатора 11, X1 и Х2 - сопротивления первого и второго реакторов 8 и 9. Все сопротивления соответствуют частоте источника 3. Сопротивление конденсатора 11 намного больше суммарного сопротивления реакторов 8 и 9. Поэтому коэффициент k больше единицы, он равен, например, 1,1.where X C is the resistance of the
На фиг.5 утолщенной линией изображена внешняя характеристика предлагаемого устройства 1, построенная по выражению 1 при k=1,1 для относительных значений напряжения 
Когда действующее входное фазное напряжение выпрямителя 2 достигнет значения kU, его выходное напряжение станет равным номинальному значению 
В управляемом режиме работы к выходным зажимам 25 выпрямителя 2 подключена нагрузка, потребляющая ток iНГ, который проходит в указанном на фиг.1 и фиг.2 направлении (или генерирующая этот ток, тогда его направление изменяется на противоположное). У выпрямителя 2 ток проводят по очереди электронные ключи 24 и диоды 23. Микропроцессор по заложенной в нем программе включает и отключает электронные ключи 24. Частота коммутации, которая определяет интервалы времени включения очередного ключа 24, в сотни (и даже тысячи) раз превосходит частоту источника 3 напряжения. Программа микропроцессора реализует выполнение следующих условий: первое - практически синусоидальная форма токов iВХ; второе - заданный фазовый сдвиг первой гармоники этого тока (обычно нулевой при работе выпрямителя 2 в выпрямительном режиме или 180° при его работе в инверторном режиме); третье - неизменное среднее значение напряжение конденсатора 22 (при этом среднее значение тока iK равно нулю). Напряжение на входных зажимах 7 выпрямителя 2 формируется электронными ключами. Линейное напряжение на этих зажимах имеет вид последовательности прямоугольных импульсов, повторяющихся с частотой коммутации. Амплитуда импульсов равна напряжению конденсатора 22. Их продолжительность изменяется так, чтобы в указанном линейном напряжении не содержались высшие гармоники, близкие к первой, имеющей частоту источника 3. Ближайшие к первой высшие гармоники имеют частоты, примерно в два раза превышающие частоту первой гармоники. Совокупность высших гармоник образуют пульсации, максимальная амплитуда которых близка к напряжению конденсатора 22. Относительно небольшая индуктивность индуктивного элемента 10, по сравнению с индуктивностью первого реактора, обеспечивает весьма большое значение индуктивного сопротивления для токов, генерируемых высшими гармониками входного напряжения выпрямителя 22. В то же время относительно небольшая емкость конденсатора 11 обеспечивает весьма малое значение емкостного сопротивления для токов указанных высших гармоник. Поэтому пульсации напряжения на этом конденсаторе крайне малы, это напряжение имеет практически синусоидальную форму. Высокое, для высших гармоник, сопротивление второго реактора 8 дополнительно подавляет высшие гармоники входного тока i2 выпрямителя 1, делает их ничтожно малыми. Тем самым обеспечивается электромагнитная совместимость управляемого выпрямителя напряжения с другими потребителями, подключенными к источнику 3 напряжения переменного тока. Т-образный фильтр, образованный вторыми реакторами 9, индуктивными элементами 10 и конденсаторами 11 также подавляет те высшие гармоники токов, проходящих по элементам указанного Т-образного фильтра, которые вызваны внешними, по отношения к выпрямителю 2, причинами. Эти высшие гармоники создаются отклонениями формы кривой ЭДС источника 3 от синусоиды или наличием высших гармоник в токах других потребителей. Такое действие Т-образного фильтра уменьшает потери мощности в его элементах, увеличивая их ресурс.In a controlled mode of operation, a load is consumed to the
Источники информацииInformation sources
1. Электротехника. - В 3-х книгах. Книга II. Электрические машины. Промышленная электроника. Теория автоматического управления / Под ред. П.А.Бутырина, Р.Х.Гафиятуллина, А.Л.Шестакова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. - 711 с.1. Electrical engineering. - In 3 books. Book II. Electric cars. Industrial Electronics. Theory of Automatic Control / Ed. P.A. Butyrina, R.Kh. Gafiyatullina, A.L. Shestakova. - Chelyabinsk: Publishing House of SUSU, 2004. - 711 p.
2. N.Mohan, T.M.Underland, W.P.Robbins, Power electronics, John Wiley & Sons, Inc., New Yorc, 2003, Figs.18-8 and 18-12.2. N. Mohan, T. M. Underland, W.P. Robbins, Power electronics, John Wiley & Sons, Inc., New Yorc, 2003, Figs. 18-8 and 18-12.
3. Sibest Auxiliary Converter for Electric Locomotives. Transportation Systems. SIEMENS, www.siemens.com/transportation (прототип).3. Sibest Auxiliary Converter for Electric Locomotives. Transportation Systems. SIEMENS, www.siemens.com/transportation (prototype).
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008111382/09A RU2372706C1 (en) | 2008-03-24 | 2008-03-24 | Device for connection of controlled voltage rectifier to source of ac voltage |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008111382/09A RU2372706C1 (en) | 2008-03-24 | 2008-03-24 | Device for connection of controlled voltage rectifier to source of ac voltage |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2372706C1 true RU2372706C1 (en) | 2009-11-10 |
Family
ID=41354855
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008111382/09A RU2372706C1 (en) | 2008-03-24 | 2008-03-24 | Device for connection of controlled voltage rectifier to source of ac voltage |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2372706C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2521613C1 (en) * | 2013-04-02 | 2014-07-10 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) | Device for connecting controlled voltage inverter to direct current voltage source |
| RU2593152C1 (en) * | 2015-06-03 | 2016-07-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Device for connecting controlled voltage rectifier to ac voltage source |
| RU2690017C1 (en) * | 2015-05-20 | 2019-05-30 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Power supply control device and corresponding method |
-
2008
- 2008-03-24 RU RU2008111382/09A patent/RU2372706C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2521613C1 (en) * | 2013-04-02 | 2014-07-10 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) | Device for connecting controlled voltage inverter to direct current voltage source |
| RU2690017C1 (en) * | 2015-05-20 | 2019-05-30 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Power supply control device and corresponding method |
| RU2593152C1 (en) * | 2015-06-03 | 2016-07-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Device for connecting controlled voltage rectifier to ac voltage source |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | Novel cascaded switched-diode multilevel inverter for renewable energy integration | |
| CA2558001C (en) | Multilevel converter based intelligent universal transformer | |
| Lazzarin et al. | A switched-capacitor three-phase AC–AC converter | |
| Peng et al. | A capacitor voltage balancing method with fundamental sorting frequency for modular multilevel converters under staircase modulation | |
| US20140217827A1 (en) | Apparatus for and method of operation of a power inverter system | |
| US20140152109A1 (en) | Medium voltage uninterruptible power supply | |
| EP2256579A1 (en) | Solar inverter and control method | |
| CN102647097A (en) | Power supply device | |
| WO2013167189A1 (en) | Battery energy storage and power system | |
| US8941340B2 (en) | Regenerative variable frequency drive | |
| JP4735188B2 (en) | Power converter | |
| Husev et al. | A new single-phase flying inductor-based common grounded converter for dual-purpose application | |
| KR20160013176A (en) | Converter assembly having multi-step converters connected in parallel and method for controlling said multi-step converters | |
| RU2372706C1 (en) | Device for connection of controlled voltage rectifier to source of ac voltage | |
| US20220173652A1 (en) | Power conversion system and virtual dc voltage generator circuit | |
| US6297971B1 (en) | Phase converter | |
| RU2424612C1 (en) | Speed control device of asynchronous electric motor (versions) | |
| Attanasio et al. | A grid tie micro inverter with reactive power control capability | |
| Jha et al. | Hardware implementation of single phase power factor correction system using micro-controller | |
| Ding et al. | An input-series-output-series modular multilevel DC transformer with inter-module arithmetic phase interleaving control to reduce DC ripples | |
| Ramesh et al. | Interleaved boost converter fed with PV for induction motor/agricultural applications | |
| Zheng et al. | A medium-voltage motor drive based on diode-clamped modular multilevel converters | |
| RU2521613C1 (en) | Device for connecting controlled voltage inverter to direct current voltage source | |
| Zhou et al. | Single-source cascaded multilevel inverter for magnetic coupling wireless power transfer systems | |
| SCHEME | Single phase multilevel inverter based on a novel switching scheme using buck converter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180325 |