RU2421867C1

RU2421867C1 - Direct three-phase frequency converter with natural commutation

Info

Publication number: RU2421867C1
Application number: RU2010119196/07A
Authority: RU
Inventors: Олег Владимирович Григораш (RU); Олег Владимирович Григораш; Андрей Викторович Квитко (RU); Андрей Викторович Квитко; Вячеслав Васильевич Алмазов (RU); Вячеслав Васильевич Алмазов; Николай Николаевич Кирьян (RU); Николай Николаевич Кирьян; Алина Олеговна Григораш (RU); Алина Олеговна Григораш
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2011-06-20

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: direct three-phase frequency converter with natural commutation includes loading pattern, output filter and control system, differs by the fact that converter includes three-phase loading pattern, voltage transformer, current transformer unit, measuring device of voltage deviation, master generator, cosine synchronisation unit and three control signal shaping units; at that, inputs of loading pattern of converter, which contains thyristor switches, are connected to source of three-phase high-frequency voltage, and its outputs are connected through output filter, current transformer unit and voltage transformer to output terminals of converter. ^ EFFECT: frequency stabilisation in non-symmetrical operating modes. ^ 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в автономных системах электроснабжения для стабилизации частоты и напряжения источников электроэнергии с повышенной частотой генерируемого напряжения.The invention relates to electrical engineering and is intended for use in autonomous power supply systems to stabilize the frequency and voltage of electric power sources with an increased frequency of the generated voltage.

Известный трехфазный преобразователь частоты (патент РФ № 2216097, 7 Н02Р 9146, H02J 3116, Бюл. № 31, 2003), содержит трехфазную силовую схему полупроводниковых приборов, цепи искусственной коммутации, выходной фильтр, трансформаторы тока и напряжения, блок косинусной синхронизации, задающий генератор, регулятор частоты и три блока формирования управляющих сигналов.The known three-phase frequency converter (RF patent No. 2216097, 7 Н02Р 9146, H02J 3116, Bull. No. 31, 2003), contains a three-phase power circuit of semiconductor devices, artificial switching circuits, an output filter, current and voltage transformers, a cosine synchronization unit, a master oscillator , a frequency regulator and three control signal generation blocks.

Недостатками преобразователя являются низкая надежность работы из-за использования дополнительных силовых цепей искусственной коммутации и сложности системы управления, обеспечивающей стабилизацию напряжения за счет изменения угла сдвига фаз на входе преобразователя.The disadvantages of the converter are low reliability due to the use of additional power circuits of artificial switching and the complexity of the control system that provides voltage stabilization by changing the phase angle at the input of the converter.

Наиболее близким по техническому решению является непосредственный трехфазный преобразователь частоты с естественной коммуникацией (по патенту РФ № 2349019, Бюл. № 7, 2009), содержащий силовую схему, выходной фильтр, трансформатор с вращающимся магнитным полем и систему управления, обеспечивающую естественную коммутацию силовых вентилей преобразователя.The closest in technical solution is a direct three-phase frequency converter with natural communication (according to RF patent No. 2349019, Bull. No. 7, 2009), which contains a power circuit, an output filter, a transformer with a rotating magnetic field and a control system that provides natural switching of the converter’s power valves .

Недостатком преобразователя является отсутствие стабилизации напряжения в несимметричных режимах работы.The disadvantage of the converter is the lack of voltage stabilization in asymmetric operating modes.

Техническим решением поставленной задачи является стабилизация напряжения и частоты в несимметричных режимах работы с помощью системы управления непосредственным трехфазным преобразователем частоты с естественной коммуникацией силовых вентилей.The technical solution to this problem is to stabilize the voltage and frequency in asymmetric operating modes using the control system of a direct three-phase frequency converter with natural communication of power valves.

Техническое решение достигается тем, непосредственный трехфазный преобразователь частоты с естественной коммутацией, содержащий силовую схему, выходной фильтр и систему управления, согласно изобретению содержит трехфазную силовую схему, трансформатор напряжения, блок трансформаторов тока, измеритель отклонения напряжения, задающий генератор, блок косинусной синхронизации и блоки формирования управляющих сигналов, при этом входы силовой схемы преобразователя, содержащей тиристорные ключи, соединены с источником трехфазного высокочастотного напряжения, а ее выходы через выходной фильтр, блок трансформаторов тока и трансформатор напряжения - с выходными зажимами преобразователя, первый и второй входы блока косинусной синхронизации соединены с выводами для подключения источника высокочастотного напряжения, выходы которого соединены с первым и четвертым входами первого, второго и третьего блоков формирования управляющих сигналов, первый и второй выходы которых соединены с управляющими входами трехфазной силовой схемы преобразователя, выход задающего генератора соединен со вторым, а выход измерителя отклонения напряжения соединен с третьим входом первого, второго и третьего блоков формирования управляющих сигналов, пятый вход которых соединен с выходом блока трансформаторов тока, вход измерителя отклонения напряжения соединен с выходом трансформатора напряжения, каждый из блоков формирования управляющих сигналов содержит сумматор, первый и второй компараторы, первый и второй логические элементы И, первый и второй распределители импульсов и датчик тока, первые входы первого и второго компараторов являются первым и четвертым соответственно входами блоков формировании управляющих сигналов, первый и второй входы сумматора являются вторым и третьим входами блоков формирования управляющих сигналов, выход сумматора соединен со вторыми входами первого и второго компараторов, выходы которых соединены с первыми входами первого и второго логических элементов И, вторые входы которых соединены с первым и вторым выходами, соответственно, датчика тока, вход которого является пятым входом блоков формирования управляющих сигналов, выходы первого и второго логических элементов И соединены с входами первого и второго распределителей импульсов, выходы которых являются первым и вторым выходами блоков формирования управляющих сигналов.The technical solution is achieved by the fact that a direct three-phase frequency converter with natural switching, containing a power circuit, an output filter and a control system, according to the invention contains a three-phase power circuit, a voltage transformer, a block of current transformers, a voltage deviation meter, a master oscillator, a cosine synchronization block and formation blocks control signals, while the inputs of the power circuit of the converter containing thyristor switches are connected to a three-phase high frequency voltage, and its outputs through the output filter, the current transformer unit and the voltage transformer with the output terminals of the converter, the first and second inputs of the cosine synchronization unit are connected to the terminals for connecting a high-frequency voltage source, the outputs of which are connected to the first and fourth inputs of the first, second and third control signal generating units, the first and second outputs of which are connected to the control inputs of the three-phase power circuit of the converter, the output of the master oscillator connected to the second, and the output of the voltage deviation meter is connected to the third input of the first, second and third control signal generation units, the fifth input of which is connected to the output of the current transformer unit, the voltage deviation meter input is connected to the output of the voltage transformer, each of the control signal generation units contains adder, first and second comparators, first and second logic gates And, first and second pulse distributors and current sensor, first inputs of the first and second compa ators are the first and fourth inputs of control signal generating units respectively, the first and second inputs of the adder are second and third inputs of control signal generating units, the output of the adder is connected to the second inputs of the first and second comparators, the outputs of which are connected to the first inputs of the first and second logical elements , the second inputs of which are connected to the first and second outputs, respectively, of the current sensor, the input of which is the fifth input of the control signal generation blocks, you the moves of the first and second logical elements AND are connected to the inputs of the first and second pulse distributors, the outputs of which are the first and second outputs of the blocks for generating control signals.

Новизна заявленного технического решения обусловлена тем, что в составе преобразователя применяется три блока формирования управляющих сигналов, трансформатор напряжения, блок трансформаторов тока, измеритель отклонения напряжения, задающий генератор и блок косинусной синхронизации, что позволяет обеспечивать стабилизацию напряжения и частоты на выходе в несимметричных режимах работы.The novelty of the claimed technical solution is due to the fact that the converter uses three control signal generating units, a voltage transformer, a current transformer block, a voltage deviation meter, a master oscillator and a cosine synchronization block, which allows stabilization of the output voltage and frequency in asymmetric operating modes.

По данным научно-технической и патентной литературы авторам не известна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.According to the scientific, technical and patent literature, the authors are not aware of the claimed combination of features aimed at achieving the task, and this solution does not follow clearly from the prior art, which allows us to conclude that the solution corresponds to the level of the invention.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структурная схема непосредственного преобразования частоты с естественной коммуникацией силовых вентилей, на фиг.2 - диаграммы напряжения и тока, поясняющие принцип работы преобразователя.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a structural diagram of a direct frequency conversion with natural communication power valves, figure 2 is a voltage and current diagrams explaining the principle of operation of the Converter.

Функциональная схема преобразователя (фиг.1) содержит входные выводы 1, 2 и 3 для подключения источника электроэнергии повышенной частоты f₁, выходные выводы 4, 5 и 6 для подключения низкочастотной нагрузки с частотой f₂, трехфазную силовую схему 7, выходной фильтр 8, блок трансформаторов тока 9, трансформатор напряжения 10, блок косинусной синхронизации 11, задающий генератор низкочастотного синусоидального напряжения 12, измеритель отклонения напряжения 13 и три блока формирования управляющих сигналов 14, 15, 16. Каждый блок формирования управляющих сигналов содержит сумматор 17, первый и второй компараторы 18 и 19, первый и второй логические элементы И 20 и 21, датчик тока 22, первый и второй распределители импульсов 23 и 24.Functional diagram of the Converter (figure 1) contains input terminals 1, 2 and 3 for connecting a high-frequency power source f ₁ , output terminals 4, 5 and 6 for connecting a low-frequency load with frequency f ₂ , three-phase power circuit 7, output filter 8, a block of current transformers 9, a voltage transformer 10, a cosine synchronization block 11, a defining generator of a low-frequency sinusoidal voltage 12, a voltage deviation meter 13, and three control signal generating units 14, 15, 16. Each control generating unit x signal comprises an adder 17, first and second comparators 18 and 19, first and second AND gates 20 and 21, current sensor 22, the first and second distributors 23 and 24 pulses.

На примере блока формирования управляющих сигналов 14, формирующего однофазное выходное напряжение, рассмотрим работу системы управления преобразователя по стабилизации частоты и напряжения.Using the example of a block for generating control signals 14, which forms a single-phase output voltage, we consider the operation of the converter control system for stabilizing frequency and voltage.

Задающим генератором 12 синусоидального напряжения U_зг (фиг.1) устанавливаемая рабочая частота f₂ выходного напряжения преобразователя. Ведущий сигнал с задающего генератора 12 (фиг.2, а) поступает на первый ход сумматора 17, на второй вход которого поступает существующий сигнал об отклонении выходного напряжения ΔU (фиг.2, а) от измерителя отклонения напряжения 13. Сигнал рассогласования суммируется с ведущим сигналом, и результирующий сигнал синусоидальной формы U_c (фиг.2, а) с выхода сумматора поступает на вторые входы компараторов 18 и 19. На первые входы компараторов 18 и 19 поступает опорный сигнал от блока косинусной синхронизации 11 (U_кс, фиг.2, а). В компараторах происходит сравнение двух сигналов ведущего - синусоидальной формы ΔU и опорного - косинусные синхронизированные кривые U_кс, и при их равенстве формируются управляющие импульсы u_у1 и u_у2 (фиг.2, б), которые поступают на первые входы логических элементов И 20 и 21. В зависимости от полярности тока нагрузки и i_н, которую фиксирует датчик тока 22, управляющие сигналы u_у1 или u_у2 поочередно подаются на соответствующие управляющие электроды тиристоров трехфазной силовой схемы 7 преобразователя. На выходе силовой схемы НПЧ 7 формируются кривые напряжения положительного u_пт и отрицательного u_от типов (фиг.2, в). Выходной фильтр 8 сглаживает пульсации и напряжение u_н подключается к выходным выводам преобразователя 4, 5, и 6 соответственно. Естественная коммутация силовых тиристоров непосредственного преобразователя частоты обеспечивается за счет того, что когда ток нагрузки i_н имеет положительную полярность, на входе преобразователя из высокочастотного напряжения формируется низкочастотное напряжение из кривых положительного типа (фиг.2, в, г), когда i_н имеет отрицательную полярность, то низкочастотное напряжение формируется из кривых отрицательного типа (фиг.2, в, г) (Джюджи Л, Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты. - М.: Энергоатомиздат, 1983, - 400 с., с.37-41).The master oscillator 12 of the sinusoidal voltage U _sg ( _figure 1) set the operating frequency f _{2 the} output voltage of the Converter. The leading signal from the master oscillator 12 (Fig. 2, a) is fed to the first stroke of the adder 17, the second input of which receives the existing signal about the deviation of the output voltage ΔU (Fig. 2, a) from the voltage deviation meter 13. The error signal is summed with the leading a signal, and the resulting sine wave signal U _c (Fig. 2, a) from the output of the adder is supplied to the second inputs of the comparators 18 and 19. The reference signals from the cosine synchronization block 11 (U _cc , Fig. 2) are received at the first inputs of the comparators 18 and 19 , but). In the comparators, two leading signals are compared - the sinusoidal waveform ΔU and the reference - cosine synchronized curves U _kc , and when they are equal, control pulses u _у1 and u _{у2 are formed} (Fig. 2, b), which are fed to the first inputs of the logic elements And 20 and 21. Depending on the polarity of the load current and i _n , which is detected by the current sensor 22, the control signals u _y1 or u _{y2 are} alternately supplied to the corresponding control electrodes of the thyristors of the three-phase power circuit 7 of the converter. At the output of the power circuit of the NPC 7, voltage curves of positive u _pt and negative u _of types are formed (Fig. 2, c). The output filter 8 smooths out the ripple and the voltage u _{n is} connected to the output terminals of the converter 4, 5, and 6, respectively. Natural switching of power thyristors of the direct frequency converter is ensured by the fact that when the load current i _n has a positive polarity, a low-frequency voltage is formed from the positive type curves at the input of the converter from the high-frequency voltage (Fig. 2, c, d), when i _n has a negative polarity, then the low-frequency voltage is formed from negative type curves (Fig. 2, c, d) (Dzhuji L, Pelly B. Power semiconductor frequency converters. - M .: Energoatomizdat, 1983, - 400 p., p. 37-4 one).

Таким образом, стабилизация частоты на выходе непосредственного преобразователя осуществляется автоматически и ее определяет частота задающего генератора 12. Стабилизация напряжения осуществляется так же автоматически и она соответствует частоте сигнала задающего генератора 12.Thus, the stabilization of the frequency at the output of the direct converter is carried out automatically and it is determined by the frequency of the master oscillator 12. Voltage stabilization is carried out also automatically and it corresponds to the frequency of the signal of the master oscillator 12.

Использование в составе трехфазного непосредственного преобразователя с естественной коммутацией трех блоков формирования управляющих сигналов, трансформатора напряжения, блока трансформаторов тока, измерителя отклонения напряжения, задающего генератора и блока косинусной синхронизации выгодно отличает предлагаемый преобразователь от известного, так как в несимметричных режимах работы обеспечивается стабилизация выходного напряжения и частоты.The use of a three-phase direct converter with natural switching of three blocks for generating control signals, a voltage transformer, a block of current transformers, a voltage deviation meter, a master oscillator and a cosine synchronization block distinguishes the proposed converter from the known one, since the output voltage is stabilized in asymmetric operating modes and frequency.

Claims

A direct three-phase frequency converter with natural switching, comprising a power circuit, an output filter and a control system, characterized in that the converter contains a three-phase power circuit, a voltage transformer, a block of current transformers, a voltage deviation meter, a master oscillator, a cosine synchronization block and three control formation blocks signals, and the inputs of the power circuit of the converter containing thyristor switches are connected to a source of three-phase high-frequency voltage and its outputs through the output filter, the current transformer unit and the voltage transformer - with the output terminals of the converter, the first and second inputs of the cosine synchronization unit are connected to the terminals for connecting a high-frequency voltage source, the outputs of which are connected to the first and fourth inputs of the first, second and the third blocks of the formation of control signals, the first and second outputs of which are connected to the control inputs of the three-phase power circuit of the converter, the output of the master oscillator is connected to the second m, and the output of the voltage deviation meter is connected to the third input of the first, second and third control signal generating units, the fifth input of which is connected to the output of the current transformer unit, the voltage deviation meter input is connected to the voltage transformer output, each of the control signal generating units contains an adder, the first and second comparators, the first and second logic gates And, the first and second pulse distributors and a current sensor, the first inputs of the first and second comparators are the first and second inputs of the control signal generation blocks, the first and second inputs of the adder are the second and third inputs of the control signal generation blocks, the output of the adder is connected to the second inputs of the first and second comparators, the outputs of which are connected to the first inputs of the first and second logical elements AND, the second the inputs of which are connected to the first and second outputs, respectively, of a current sensor, the input of which is the fifth input of the control signal generation units, the outputs of the first and second of the logical elements AND are connected to the inputs of the first and second pulse distributors, the outputs of which are the first and second outputs of the control signal generation units.