RU2521613C1

RU2521613C1 - Device for connecting controlled voltage inverter to direct current voltage source

Info

Publication number: RU2521613C1
Application number: RU2013114883/07A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Евграфович Кувшинов; Юрий Геньевич Себто; Михаил Владимирович Красковский; Павел Александрович Кравцов; Алина Викторовна Кравцова
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2014-07-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: device comprises current limiting circuits, one circuit per each input terminal of a rectifier, each circuit couples the input terminal of the above device connected to one of the output terminals of the above voltage source with the output terminal of the above device connected to one of the input terminals of the controlled voltage rectifier; each current limiting circuit consists of an inductive element, the first and second reactors, a capacitor as well as the first and second switches, in each current limiting circuit in the device there is an auxiliary parallel damping resistor and the third switch, which are coupled between the first terminal of the inductive element and the first terminal of the capacitor.

EFFECT: reduction of dimensions and weight for the claimed device intended for connection of the input voltage device to the alternating voltage source, including weight and dimensions of the bank of capacitors in the current limiting circuits, and improvement of the dynamic performance at the non-controlled charge stage of the output capacitor of the input voltage device.

2 cl, 4 dwg

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 to direct, and vice versa, direct current to alternating current using semiconductor devices - transistors and diodes - in a bridge circuit.

Управляемые выпрямители напряжения (УВН) 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 подключен 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 (DC) 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 anodes of the diodes are connected to the negative output terminal of the rectifier, and the cathode group includes the valve arms, in which the cathodes of the diodes are connected to the positive output terminal of the rectifier. An output capacitor is connected to the output terminals of such a rectifier, which is a mandatory element of any controlled voltage rectifier, and the load. 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 УВН к источнику переменного тока выходной конденсатор сначала заряжается в неуправляемом режиме, через диоды, до амплитудного значения напряжения источника. Дальнейший процесс заряда выходного 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 УВН. Выходной конденсатор заряжается до заданного напряжения, которое превышает амплитудное значение линейного напряжения источника. Для ограничения входного тока УВН 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 выходной конденсатор управляемого выпрямителя от разрушения под действием сверхтоков.After connecting the input terminals of the UVN to an AC source, the output capacitor is first charged in an uncontrolled mode, through diodes, to the amplitude value of the source voltage. The further process of charging the output 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 a near-sinusoidal shape of the input current of the IHV. The output capacitor is charged to a predetermined voltage that exceeds the amplitude value of the line voltage of the source. To limit the input current of the UHF in uncontrolled mode and the slew rate of the short circuit current in the controlled mode (when electronic keys are closed), current-limiting elements must be contained in this short-circuited circuit. They protect diodes, electronic keys and the output capacitor of a controlled rectifier from destruction under the influence of overcurrents.

У известного устройства (первого 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 (the first analogue) 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 УВН, 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 the IHC, as well as the inductive resistance of the synchronous generator switching or the inductive short circuit resistance of the 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 первого аналога заключается в том, что индуктивное сопротивление такого индуктивного элемента оказывается слишком малым для ограничения пускового тока, возникающего при подключении УВН 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 УВН к источнику, используемый в аналоге, может безопасно применяться при постепенном увеличении напряжения источника по мере заряда выходного конденсатора УВН. Такой процесс может быть осуществлен, например, при питании УВН непосредственно от синхронного генератора, в частности, от генераторов ветроэлектрических станций.The disadvantage of the first analogue is that the inductive resistance of such an inductive element turns out to be too small to limit the inrush current that occurs when connecting an UVR with an uncharged output capacitor to an ac 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 the UVN to the 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 UVN charges. Such a process can be carried out, for example, when supplying the high voltage power supply directly from a synchronous generator, in particular, from generators of wind power stations.

Второй аналог устройства для подключения УВН к источнику напряжения, принципиальная схема которого приведена в [3, стр.2], содержит пусковые резисторы, по одному на каждый входной зажим УВН, а также первый и второй выключатели. Первые зажимы этих выключателей подключены к входным зажимам указанного устройства. Вторые зажимы вторых выключателей подключены к первым зажимам индуктивных элементов напрямую, а через пусковые резисторы - ко вторым зажимам первых выключателей. Вторые зажимы индуктивных элементов подключены к выходным зажимам УВН.The second analogue of the device for connecting the UVN to a voltage source, the circuit diagram of which is given in [3, p. 2], contains starting resistors, one for each input terminal of the UVN, as well as the first and second switches. The first terminals of these switches are connected to the input terminals of the specified device. The second terminals of the second switches are connected directly to the first terminals of the inductive elements, and through the starting resistors to the second terminals of the first switches. The second clamps of the inductive elements are connected to the output terminals of the UVN.

Первоначальное подключение УВН к источнику напряжения переменного тока осуществляется одновременным замыканием первых выключателей 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 УВН, удается снизить до безопасного значения. После окончания неуправляемого процесса заряда выходного конденсатора, когда входной ток УВН падает до нулевого значения, первые выключатели размыкаются, а вторые - замыкаются. При этом входные зажимы УВН оказываются подключенными к выходным зажимам источника напряжения переменного тока через замкнутые вторые выключатели и индуктивные элементы. УВН готов к работе в управляемом режиме.The initial connection of the UVN to the AC voltage source is carried out by simultaneously closing the first switches 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 the IHC 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 UVR drops to zero, the first switches open, and the second - close. In this case, the input terminals of the UVN are connected to the output terminals of the AC voltage source through the closed second switches and inductive elements. UVN is ready for operation in a controlled mode.

Основные недостатки второго аналога устройства для подключения УВН к источнику напряжения заключаются в следующем.The main disadvantages of the second analogue of the device for connecting the UVN to the voltage source are as follows.

1. В пусковых резисторах выделяется большая энергия в виде тепла, и возникает проблема его отвода. Суммарные потери энергии в пусковых резисторах за время заряда выходного конденсатора УВН соизмеримы с электрической энергией, 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 total energy loss in the starting resistors during the charge of the output capacitor UVN is commensurate with the electric energy stored in this capacitor.

2. Входная вольтамперная характеристика УВН близка к линейной. (У указанной вольтамперной характеристики фазное напряжение холостого хода равно фазному напряжению источника, а ток короткого замыкания равен отношению этого напряжения к модулю комплексного сопротивления, состоящего из активного сопротивления пускового резистора и индуктивного сопротивления индуктивного элемента.) При этом пропорционально возрастанию напряжения выходного конденсатора УВН снижается его зарядный ток. Уменьшение зарядного тока приводит к увеличению времени заряда выходного конденсатора.2. The input current-voltage characteristic of the UVR is close to linear. (At the indicated current-voltage 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 complex resistance module, which consists of the starting resistance of the starting resistor and the inductive resistance of the inductive element.) In this case, its voltage decreases in proportion to the output voltage of the output capacitor charging current. A decrease in the charging current leads to an increase in the charge time of the output capacitor.

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 первых выключателей, то УВН не сможет какое-то время работать в управляемом режиме. Входящие в состав УВН 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 the first circuit breakers were turned on, then the UVN will not be able to work in a controlled mode for some time. The diodes included in the UVN composition will charge the output capacitor to a new, increased, amplitude value of the linear voltage of the source.

Известно также лишенное недостатков второго аналога устройство для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству и выбранное в качестве прототипа, принципиальная схема и описание работы которого приведены в [4].It is also known devoid of the drawbacks of the second analog device for connecting the IHV to an AC voltage source, the closest in technical essence to the claimed device and selected as a prototype, the circuit diagram and description of the operation of which are given in [4].

Устройство для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока (прототип) содержит токоограничивающие цепи, по одной на каждый входной зажим выпрямителя. Каждая из токоограничивающих цепей 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, первый и второй реакторы, конденсатор, а также первый и второй выключатели. Первые зажимы этих выключателей подключены к входным зажимам указанного устройства. Второй зажим второго выключателя через первый реактор подключен ко второму зажиму первого выключателя, а через второй реактор подключен к первому зажиму индуктивного элемента, второй зажим которого подключен к выходному зажиму указанного устройства. Первый зажим конденсатора связан с первым зажимом индуктивного элемента, а второй зажим конденсатора подключен к общему для всех токоограничивающих цепей нулевому зажиму устройства.A device for connecting a UVN to an AC voltage source (prototype) contains current-limiting circuits, one for each input terminal of the rectifier. Each of the current-limiting circuits 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 the controlled voltage rectifier. Moreover, each current-limiting circuit contains an inductive element, the first and second reactors, a capacitor, as well as the first and second switches. The first terminals of these switches are connected to the input terminals of the specified device. The second terminal of the second switch through the first reactor is connected to the second terminal of the first switch, and through the second reactor is connected to the first terminal of the inductive element, the second terminal of which is connected to the output terminal of the specified device. The first clamp of the capacitor is connected to the first clamp of the inductive element, and the second clamp of the capacitor is connected to the common zero clamp of the device for all current-limiting circuits.

Если числа входных и выходных зажимов прототипа равны двум, то устройство содержит только одну токоограничивающую цепь, соединяющую один из двух входных зажимов устройства с одним из двух выходных зажимов устройства, а вторые входные и выходные зажимы устройства подключены ко второму зажиму конденсатора, входящему в указанную токоограничивающую цепь.If the numbers of input and output terminals of the prototype are equal to two, the device contains only one current-limiting circuit connecting one of the two input terminals of the device with one of the two output terminals of the device, and the second input and output terminals of the device are connected to the second terminal of the capacitor included in the specified current-limiting chain.

Первый и второй реакторы и конденсатор токоограничивающей цепи образуют индуктивно-емкостный преобразователь. Параметры этого преобразователя выбираются в соответствии со следующими условиями. Во-первых, ограничивается заданным уровнем начальное значение амплитуды периодической составляющей входного тока выпрямителя. Во-вторых, при окончании процесса неуправляемого заряда выходного конденсатора его напряжение, равное амплитудному значению линейного напряжения конденсаторов токоограничивающих цепей, достигает заданного значения. Это значение больше амплитуды линейного напряжения источника переменного тока. Указанное обстоятельство является первым преимуществом прототипа, по сравнению с другими известными аналогами устройства для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока.The first and second reactors and the capacitor of the current-limiting circuit form an inductive-capacitive converter. The parameters of this converter are selected in accordance with the following conditions. Firstly, the initial value of the amplitude of the periodic component of the input current of the rectifier is limited to a given level. Secondly, at the end of the process of uncontrolled charge of the output capacitor, its voltage equal to the amplitude value of the linear voltage of the capacitors of the current-limiting circuits reaches a predetermined value. This value is greater than the amplitude of the line voltage of the AC source. This circumstance is the first advantage of the prototype, in comparison with other well-known analogues of the device for connecting the UVR to an AC voltage source.

После окончания процесса неуправляемого заряда выходного конденсатора с помощью первого и второго выключателей из токоограничивающих цепей исключаются первые реакторы. Входные зажимы УВН оказываются подключенными к входным зажимам устройства через Т-образные фильтры нижних частот. Эти фильтры практически подавляют, с одной стороны, влияние высших гармоник входных напряжений УВН на источник переменного напряжения, а, с другой стороны, влияние высших гармоник напряжений источника переменного напряжения на работу УВН. Это обстоятельство является вторым преимуществом прототипа по сравнению с другими известными аналогами устройства для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока.After the process of uncontrolled charge of the output capacitor with the help of the first and second switches, the first reactors are excluded from the current-limiting circuits. The input terminals of the UVN are connected to the input terminals of the device through T-shaped low-pass filters. These filters practically suppress, on the one hand, the influence of higher harmonics of the input voltage of the high voltage voltage on the source of alternating voltage, and, on the other hand, the influence of the higher harmonics of the voltage of the voltage source on variable voltage operation. This circumstance is the second advantage of the prototype in comparison with other known analogues of the device for connecting the UVR to an AC voltage source.

Входное напряжение УВН в режиме неуправляемого заряда выходного конденсатора определяется знакопеременной функцией времени, значение которой в течение короткого промежутка времени (времени коммутации токов диодов УВН) быстро изменяется от начального до конечного значения. То и другое имеют одинаковое абсолютное значение, равное сумме напряжения выходного конденсатора и падения напряжения в двух диодах УВН, но противоположные знаки. Спустя половину периода напряжения источника переменного напряжения процесс коммутации повторяется, при этом знак входного напряжения УВН изменяется в обратном направлении. В промежутках времени между последовательными коммутациями токов диодов происходит медленное изменение входного и выходного напряжений УВН за счет заряда выходного конденсатора. Токи и напряжения элементов токоограничивающих цепей определяются совместным действием двух источников: источника напряжения переменного тока, у которого форма напряжения практически синусоидальная, и входного напряжения выпрямителя, имеющего описанную выше форму. С момента начала каждой коммутации возникает новый переходный процесс. Соответствующие переходному процессу преходящие (свободные) токи и напряжения элементов токоограничивающих цепей имеют колебательные составляющие, частота которых, зависящая от индуктивностей и емкостей элементов токоограничивающих цепей прототипа, в несколько раз превосходит частоту источника напряжения переменного тока.The input voltage of the UHF in the uncontrolled charge mode of the output capacitor is determined by an alternating function of time, the value of which quickly changes from the initial to the final value over a short period of time (switching time of the currents of the diodes of the UHF). Both have the same absolute value, equal to the sum of the voltage of the output capacitor and the voltage drop in the two diodes of the UVN, but opposite signs. After half the period of the voltage of the AC voltage source, the switching process is repeated, while the sign of the input voltage of the UVN changes in the opposite direction. In the time intervals between successive commutation of the diode currents, a slow change in the input and output voltages of the UVR occurs due to the charge of the output capacitor. The currents and voltages of the elements of current-limiting circuits are determined by the combined action of two sources: an AC voltage source, which has a practically sinusoidal voltage form, and a rectifier input voltage having the form described above. From the beginning of each switching, a new transition process arises. The transient (free) currents and voltages of the elements of the current-limiting circuits corresponding to the transition process have oscillatory components, the frequency of which, depending on the inductances and capacitances of the elements of the current-limiting circuits of the prototype, is several times higher than the frequency of the AC voltage source.

Недостаток прототипа - это большие значения амплитуд колебательных составляющих входного тока УВН и токов конденсаторов токоограничивающих цепей в режиме неуправляемого заряда выходного конденсатора. Частота колебательных составляющих в несколько раз превосходит частоту источника напряжения. Амплитуда колебательной составляющей входного тока УВН увеличивается по мере роста напряжения выходного конденсатора. Чтобы не повредить диоды выпрямителя приходится изменять, найденные без учета колебательных составляющих, параметры реакторов и конденсатора токоограничивающих цепей, что приводит к затягиванию процесса заряда выходного конденсатора. Когда это напряжение достигает около 75% от максимального значения, соответствующего окончанию заряда выходного конденсатора, амплитуда колебательной составляющей входного тока превосходит амплитуду принужденной составляющей этого тока. При этом у импульсов зарядного тока выходного конденсатора появляются участки с нулевым значением тока. Скорость заряда выходного конденсатора по этой причине снижается.The disadvantage of the prototype is the large values of the amplitudes of the oscillatory components of the input current of the IOC and the capacitor currents of the current-limiting circuits in the uncontrolled charge mode of the output capacitor. The frequency of the vibrational components is several times higher than the frequency of the voltage source. The amplitude of the oscillatory component of the input current of the I-V increases as the voltage of the output capacitor increases. In order not to damage the rectifier diodes, it is necessary to change the parameters of the reactors and capacitor of the current-limiting circuits found without taking into account the vibrational components, which leads to a delay in the charge process of the output capacitor. When this voltage reaches about 75% of the maximum value corresponding to the end of the charge of the output capacitor, the amplitude of the oscillatory component of the input current exceeds the amplitude of the forced component of this current. In this case, the pulses of the charging current of the output capacitor appear sections with a zero current value. The charge rate of the output capacitor is therefore reduced.

Но наибольшее отрицательное действие переходных процессов связано с большой амплитудой колебательной составляющей токов конденсаторов токоограничивающих цепей. Действующие значения указанных составляющих в несколько раз превосходят действующие значения токов этих конденсаторов при работе выпрямителя в рабочем режиме (как управляемого выпрямителя напряжения). Во избежание выхода из строя конденсаторов токоограничивающих цепей их приходится выбирать на напряжение, которое в несколько раз превосходит напряжение источника переменного тока. При этом значительно возрастают масса и размеры батарей указанных конденсаторов.But the greatest negative effect of transients is associated with a large amplitude of the oscillatory component of the capacitor currents of the current-limiting circuits. The effective values of these components are several times higher than the effective values of the currents of these capacitors when the rectifier is in operation (as a controlled voltage rectifier). In order to avoid failure of the capacitors of the current-limiting circuits, they have to be selected for a voltage that is several times higher than the voltage of the AC source. At the same time, the mass and size of the batteries of these capacitors increase significantly.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение массовых и габаритных показателей предлагаемого устройства для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока, в первую очередь, массы и размеров батарей конденсаторов токоограничивающих цепей, и повышение динамических показателей стадии неуправляемого заряда выходного конденсатора УВН.The problem to which the invention is directed is to reduce the mass and overall dimensions of the proposed device for connecting the UVR to an AC voltage source, in particular, the mass and size of the capacitor banks of current-limiting circuits, and to increase the dynamic indicators of the uncontrolled charge stage of the output of the UVR output capacitor.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в снижении в несколько раз действующих значений токов конденсаторов токоограничивающих цепей, снижении времени предварительного заряда выходного конденсатора, при достижении максимального коэффициента полезного действия предлагаемого устройства и УВН на управляемой стадии его работы.The technical result that is achieved when solving the problem is expressed in a several-fold reduction in the effective values of the currents of the capacitors of current-limiting circuits, a decrease in the time of the preliminary charge of the output capacitor, when the maximum efficiency of the proposed device and the power supply are reached at a controlled stage of its operation.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство для подключения УВН 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 УВН, причем каждая токоограничивающая цепь содержит индуктивный элемент, первый и второй реакторы, конденсатор, а также первый и второй выключатели, первые зажимы которых подключены к входному зажиму указанного устройства, второй зажим второго выключателя через первый реактор подключен ко второму зажиму первого выключателя, а через второй реактор подключен к первому зажиму индуктивного элемента, второй зажим которого подключен к выходному зажиму указанного устройства, первый зажим конденсатора связан с первым зажимом индуктивного элемента, а второй зажим конденсатора подключен к общему для всех токоограничивающих цепей нулевому зажиму устройства, в каждую токоограничивающую цепь введены параллельно включенные демпфирующий резистор и третий выключатель, которые подключены между первым зажимом индуктивного элемента и первым зажимом конденсатора.This object is achieved in that in a device for connecting a UVN 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 the output a clamp of the specified device connected to one of the input terminals of the UVN, each current-limiting circuit contains an inductive element, the first and second reactors, a capacitor, and also e the first and second switches, the first clamps of which are connected to the input terminal of the specified device, the second terminal of the second switch through the first reactor is connected to the second terminal of the first switch, and through the second reactor is connected to the first terminal of the inductive element, the second terminal of which is connected to the output terminal of the specified device , the first capacitor clamp is connected to the first clamp of the inductive element, and the second capacitor clamp is connected to the zero clamp of the device common to all current-limiting circuits, in each current-limiting circuit is connected in parallel with a damping resistor and a third switch, which are connected between the first terminal of the inductive element and the first terminal of the capacitor.

Поставленная задача достигается также тем, что числа входных и выходных зажимов устройства равны двум, при этом устройство содержит только одну токоограничивающую цепь, соединяющую один из двух входных зажимов устройства с одним из двух выходных зажимов устройства, а вторые входные и выходные зажимы устройства подключены ко второму зажиму конденсатора, входящему в указанную токоограничивающую цепь.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 device contains only one current-limiting circuit connecting one of the two input terminals of the device with one of the two output terminals of the device, and the second input and output terminals of the device are connected to the second a capacitor clamp included in said current limiting circuit.

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 solution perform the following functional tasks:

Признак, указывающий что «в каждую токоограничивающую цепь параллельно введен демпфирующий резистор», который «подключен между первым зажимом индуктивного элемента и первым зажимом конденсатора» позволяет увеличить активное сопротивление последовательного резонансного контура, образованного индуктивным элементом и конденсатором, до такого значения, при котором корни характеристического уравнения перестают быть комплексно-сопряженными, как у прототипа, а становятся вещественными. Колебательный процесс заряда конденсатора токоограничивающей цепи, который имел место у прототипа, изменяется на апериодический. При этом действующее значение тока указанного контура, за половину периода источника, в предлагаемом устройстве во много раз снижается по сравнению с прототипом.A sign indicating that "a damping resistor is connected in parallel to each current-limiting circuit", which is "connected between the first terminal of the inductive element and the first terminal of the capacitor" allows you to increase the resistance of the series resonant circuit formed by the inductive element and the capacitor to such a value that the roots of the characteristic the equations cease to be complex conjugate, as in the prototype, and become real. The oscillatory process of the charge of the capacitor of the current-limiting circuit, which took place in the prototype, changes to aperiodic. In this case, the current value of the current of the specified circuit, for half the period of the source, in the proposed device is many times reduced compared to the prototype.

Признак, указывающий что «в каждую токоограничивающую цепь параллельно введен третий выключатель», который «подключен между первым зажимом индуктивного элемента и первым зажимом конденсатора» позволяет после окончания процесса неуправляемого заряда выходного конденсатора замыкать накоротко, с помощью третьих выключателей, демпфирующие резисторы, что обеспечивает снижение потерь мощности в элементах токоограничивающих цепей, повышение коэффициента полезного действия предлагаемого устройства и УВН на управляемой стадии его работы.A sign indicating that “a third switch is connected in parallel to each current-limiting circuit,” which “is connected between the first terminal of the inductive element and the first terminal of the capacitor” allows, after the end of the uncontrolled charge of the output capacitor, to short-circuit damping resistors with the help of third switches, which ensures a reduction power losses in the elements of current-limiting circuits, increasing the efficiency of the proposed device and the I / O at a controlled stage of its work .

Признаки: «…числа входных и выходных зажимов устройства равны двум, при этом устройство содержит только одну токоограничивающую цепь, соединяющую один из двух входных зажимов устройства с одним из двух выходных зажимов устройства, а вторые входные и выходные зажимы устройства подключены ко второму зажиму конденсатора, входящему в указанную токоограничивающую цепь» позволяют две токоограничивающие цепи устройства для подключения однофазного мостового УВН заменить одной, что обеспечивает сокращение в два раза числа элементов этих цепей, достигая при этом снижения массовых и габаритных показателей предлагаемого устройства.Signs: "... the number of input and output terminals of the device are two, while the device contains only one current-limiting circuit connecting one of the two input terminals of the device with one of the two output terminals of the device, and the second input and output terminals of the device are connected to the second terminal of the capacitor, included in the specified current-limiting circuit "allows two current-limiting circuits of the device for connecting a single-phase bridge UVN to be replaced by one, which ensures a halving of the number of elements of these circuits her, while achieving a reduction in mass and overall performance of the proposed device.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где: на фиг.1 - представлена функциональная схема устройства для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока в трехфазном исполнении; на фиг.2 - то же, в однофазном исполнении. На фиг.3 показаны осциллограммы входного тока УВН и конденсатора токоограничивающей цепи для прототипа, а на фиг.4 - то же, для предлагаемого устройства.The invention is illustrated in the drawing, where: in Fig.1 - presents a functional diagram of a device for connecting a UVN to an AC voltage source in a three-phase design; figure 2 is the same in a single-phase design. Figure 3 shows the waveforms of the input current of the UHF and the capacitor of the current-limiting circuit for the prototype, and figure 4 is the same for the proposed device.

Устройство 1 для подключения УВН 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 УВН 2. Каждая токоограничивающая цепь содержит первые реакторы 8, 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 ко 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.A device 1 for connecting a UVN 2 voltage to an AC voltage source 3 contains current-limiting circuits connecting the input terminals 4 and output terminals 5 of device 1. For the three-phase version (Fig. 1), there are three such circuits, and in the single-phase version (Fig. 2) it contains one current limiting circuit. The input terminals 4 of the device 1 are connected to the output terminals 6 of the AC voltage source 3, and the output terminals 5 of the device 1 are connected to the input terminals 7 of the UVN 2. Each current-limiting circuit contains the first reactors 8, the second reactors 9, the inductive elements 10, the capacitors 11, the first switches 12 and second switches 13. The first terminals 14 and 15 of the switches 12 and 13 are connected to each other and to the input terminals 4 of the device 1. The second terminals 16 of the second switches 13 are connected through the first reactors 8 to the second terminals 17 of the first switches 12, and Res second reactors 9 - to the first terminals 18 of inductive element 10. The second terminals of the latter are output terminals 5 of the device 1.

В каждую токоограничивающую цепь входят параллельно включенные демпфирующие резисторы 19 и третьи выключатели 20, которые подключены между первыми зажимами 18 индуктивных элементов 10 и первыми зажимами 21 конденсаторов 11. Вторые зажимы конденсаторов 11 подключены к общему для всех токоограничивающих цепей зажиму (нулевой точке) 22.Each current-limiting circuit includes parallel-connected damping resistors 19 and third switches 20, which are connected between the first terminals 18 of the inductive elements 10 and the first terminals 21 of the capacitors 11. The second terminals of the capacitors 11 are connected to a terminal common to all current-limiting circuits (zero point) 22.

В однофазном варианте (фиг.2) второй зажим конденсатора 11 подключен к общему зажиму 22, подключенному к одному из входных зажимов 4 и одному из выходных зажимов 5 устройства 1.In the single-phase version (Fig. 2), the second clamp of the capacitor 11 is connected to a common clamp 22 connected to one of the input clamps 4 and one of the output clamps 5 of the device 1.

На чертеже и в описании изобретения входящие в УВН 2 элементы дополнительно обозначены следующим образом:In the drawing and in the description of the invention included in the UVN 2 elements are additionally indicated as follows:

23 - диоды;23 - diodes;

24 - электронные ключи;24 - electronic keys;

25 - выходной конденсатор;25 - output capacitor;

26 - выходные зажимы;26 - output clamps;

u - напряжение источника ЭДС;u is the voltage of the emf source;

i₂ - входной ток, протекающий по реакторам 8 и 9;i ₂ - input current flowing through the reactors 8 and 9;

i_C - ток конденсатора;i _C is the capacitor current;

i_вх - ток на входе выпрямителя;i _in - current at the input of the rectifier;

u_вх - напряжение на входе выпрямителя;u _I - voltage at the input of the rectifier;

i₃- выходной ток выпрямителя;i ₃ - output current of the rectifier;

i_k- ток выходного конденсатора;i _k is the current of the output capacitor;

i_НГ - ток нагрузки;i _NG - load current;

u_НГ - напряжение нагрузки.u _NG - load voltage.

Устройство для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока работает следующим образом.A device for connecting a UVN to an AC voltage source operates as follows.

До подключения к источнику 3 напряжение u_НГ конденсатора 25 УВН 2 равно нулю, а все три выключателя 12, 13 и 20 разомкнуты. При замыкании первого выключателя 12 начинается неуправляемый процесс заряда выходного конденсатора 25: по цепям устройства 1, диодам 23 и выходному конденсатору 25 начинают проходить токи. Напряжение выходного конденсатора 25 станет увеличиваться.Before connecting to source 3, the voltage u of the _NG capacitor 25 of the UVN 2 is zero, and all three switches 12, 13 and 20 are open. When the first switch 12 is closed, an uncontrolled process of charging the output capacitor 25 begins: along the circuits of the device 1, diodes 23 and the output capacitor 25, currents begin to flow. The voltage of the output capacitor 25 will increase.

Процесс неуправляемого заряда выходного конденсатора 25 заканчивается, когда входной ток i_вх выпрямителя 2 равен нулю, аProcess uncontrolled charge the output capacitor 25 ends when the input current i _Rin rectifier 2 is equal to zero, and

напряжение выходного конденсатора 25 достигает амплитудного значения напряжения между зажимами 18 в трехфазном варианте устройства или между зажимами 18 и 22 в однофазном варианте устройства. Это значение превосходит амплитуду напряжения источника в k раз. Коэффициент k рассчитывается по формуле (1), в которой не учитываются активные сопротивления источника напряжения 3, а также первого 8 и второго 9 реакторов:the voltage of the output capacitor 25 reaches the amplitude value of the voltage between the terminals 18 in the three-phase version of the device or between the terminals 18 and 22 in the single-phase version of the device. This value exceeds the source voltage amplitude by a factor of k. The coefficient k is calculated by the formula (1), which does not take into account the active resistances of voltage source 3, as well as the first 8 and second 9 reactors:

$k = \sqrt{\frac{1 + ω^{2} R^{2} C^{2}}{(1 - ω^{2} L_{1} C) + ω^{2} R^{2} C^{2}}}, ω = 2 π f, (1)$

k = \sqrt{\frac{one + ω^{2} R^{2} C^{2}}{(one - ω^{2} L_{one} C) + ω^{2} R^{2} C^{2}}}, ω = 2 π f,                (one)

где f - частота источника напряжения, R - активное сопротивление демпфирующего резистора 19, C - емкость конденсатора 11, L₁ - суммарная индуктивность внутреннего сопротивления источника 3, первого 8 и второго 9 реакторов.where f is the frequency of the voltage source, R is the active resistance of the damping resistor 19, C is the capacitance of the capacitor 11, L ₁ is the total inductance of the internal resistance of the source 3, the first 8 and second 9 reactors.

То минимальное значение сопротивления демпфирующего резистора, при котором полностью подавляется колебательная составляющая преходящих токов индуктивного элемента 10 и конденсатора 11 токоограничивающей цепи, находится по выражению (2), в котором не учитываются активные сопротивления источника 3, первого 8 и второго 9 реакторов, а также индуктивного элемента 10:The minimum value of the resistance of the damping resistor, at which the vibrational component of the transient currents of the inductive element 10 and the capacitor 11 of the current-limiting circuit is completely suppressed, is found from expression (2), which does not take into account the active resistances of the source 3, the first 8 and second 9 reactors, as well as the inductive item 10:

$R_{\min} = 2 \sqrt{\frac{L_{e}}{C}}, L_{e} = \frac{L_{1} L_{2}}{L_{1} + L_{2}}, (2)$

R_{\min} = 2 \sqrt{\frac{L_{e}}{C}}, L_{e} = \frac{L_{one} L_{2}}{L_{one} + L_{2}}, (2)

где $L_{2}$

- индуктивность индуктивного элемента 10. В качестве примера определим значение R_min применительно к устройству для подключения УВН с номинальными значениями: мощности 10 кВт, входного напряжения 230 В, 50 Гц и выходного напряжения постоянного тока 360 В. Устройство для подключения этого УВН имеет следующие параметры:

L_{1}

=15,8 мГн,

L_{2}

=0,66 мГн, C=63 мкФ. Для этих параметров по формулам (2) находится

R_{\min}

=6,3 Ом. С целью снижения потерь энергии в демпфирующем резисторе целесообразно выбрать несколько меньшее значение сопротивления этого резистора, при котором указанные колебательные составляющие еще не заметны. Принято R=5,0 Ом. Для этого значения R по формуле (1) рассчитан коэффициент k=1,108. Если в формулу (1) подставить R=0, что соответствует замкнутому состоянию третьих выключателей 20 или отсутствию демпфирующих резисторов 19, то коэффициент k возрастет до 1,109, то есть всего на 0,1%. Таким образом, введение демпфирующих резисторов 19 практически не снижает амплитуду входного напряжения управляемого выпрямителя 2 напряжения, по сравнению с прототипом. Следовательно, установившееся для режима неуправляемого заряда выходное напряжение этого выпрямителя также практически не зависит от наличия демпфирующих резисторов 19.Where

L_{2}

- the inductance of the inductive element 10. As an example, we define the value of R _min in relation to the device for connecting the UVN with nominal values: power 10 kW, input voltage 230 V, 50 Hz and output voltage DC 360 V. The device for connecting this UVN has the following parameters :

L_{one}

= 15.8 mH,

L_{2}

= 0.66 mH; C = 63 μF. For these parameters by formulas (2) is found

R_{\min}

= 6.3 ohms. In order to reduce energy losses in the damping resistor, it is advisable to choose a slightly lower value of the resistance of this resistor, at which these vibrational components are not yet noticeable. Accepted R = 5.0 Ohms. For this value of R, the coefficient k = 1.108 is calculated by formula (1). If we substitute R = 0 in formula (1), which corresponds to the closed state of the third switches 20 or the absence of damping resistors 19, then the coefficient k will increase to 1.109, that is, only 0.1%. Thus, the introduction of damping resistors 19 practically does not reduce the amplitude of the input voltage of the controlled voltage rectifier 2, in comparison with the prototype. Therefore, the steady-state output voltage of this rectifier is also practically independent of the presence of damping resistors 19.

Применение демпфирующих резисторов 19 (а также шунтирующих их третьих выключателей 20) является отличительным признаком предлагаемого устройства от прототипа. Рассмотрим влияние демпфирующих резисторов 19 на процесс неуправляемого заряда выходного конденсатора 25, сравнивая осциллограммы входного тока управляемого выпрямителя 2 и конденсаторов при выходном напряжении УВН, равном половине его установившегося значения. Эти осциллограммы соответствуют однофазному УВН с приведенными выше параметрами ( $L_{1}$

=15,8 мГн,

L_{2}

=0,66 мГн, C=63 мкФ, напряжение источника напряжения переменного тока 230 В, частота 50 Гц, номинальное выходное напряжение УВН 360 В). Продолжительность осциллограмм составляет два периода напряжения источника 3. На фиг.3, а видно, что при замкнутом состоянии третьего ключа 20, шунтирующего резистор 19, когда резистор 19 не проявляет своего действия, как и у прототипа, амплитуда колебательной составляющей входного тока УВН (индуктивного элемента 10) соизмерима с амплитудой принужденной составляющей этого тока. Частота колебательной составляющей в семь раз выше частоты источника. В токе же конденсатора 11 (фиг.3, б) колебательная составляющая имеет преимущественное значение.The use of damping resistors 19 (as well as their shunting third switches 20) is a hallmark of the proposed device from the prototype. Consider the effect of damping resistors 19 on the process of uncontrolled charge of the output capacitor 25, comparing the waveforms of the input current of the controlled rectifier 2 and the capacitors at the output voltage of the UVN equal to half its steady-state value. These waveforms correspond to a single-phase UVN with the above parameters (

L_{one}

= 15.8 mH,

L_{2}

= 0.66 mH, C = 63 μF, voltage of an alternating current voltage source of 230 V, frequency of 50 Hz, rated output voltage of UVN 360 V). The duration of the waveforms is two periods of the voltage of the source 3. In Fig. 3, it can be seen that when the third switch 20 is closed, the shunt resistor 19, when the resistor 19 does not show its effect, as in the prototype, the amplitude of the oscillatory component of the input current is inductive (inductive element 10) is commensurate with the amplitude of the forced component of this current. The frequency of the vibrational component is seven times higher than the frequency of the source. In the current of the capacitor 11 (Fig.3, b) the oscillatory component is of primary importance.

При разомкнутом состоянии третьего ключа 20, резистор 19 оказывается включенным последовательно с конденсатором 11. Колебательная составляющая визуально не проявляется ни в токе индуктивного элемента 10 (фиг.4, а), ни в токе конденсатора 11 (фиг.4, а). Действующие значения токов первого 8 и второго 9 реакторов, а также индуктивного элемента 10 при замкнутом состоянии третьего ключа 20 составляют соответственно 34,3 А и 33,5 А, а при разомкнутом состоянии этого ключа - 39,5 А и 38,4 А. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет снизить токи первого и второго реакторов, а также индуктивного элемента и диодов УВН, по сравнению с прототипом - на 15%. Этот результат позволяет выбирать перечисленные элементы с меньшими массовыми и габаритными показателями. Среднее по модулю значение тока индуктивного элемента 10 равно 29,5 А, что на 12% меньше, чем при замкнутом третьем ключе 20 (А). Следовательно, при указанном значении напряжения выходного конденсатора 25 на столько же процентов меньше, чем у прототипа, и среднее значение тока, заряжающего выходной конденсатор 25. В результате выходной конденсатор с емкостью 50000 мкФ заряжается до напряжения 300 В при замкнутом состоянии третьего ключа 20 за 0,74 с (за это время этот конденсатор зарядится до указанного напряжения и с помощью прототипа), а при его разомкнутом состоянии - за 0,94 с.Увеличение времени заряда выходного конденсатора, по сравнению с прототипом, является недостатком предлагаемого устройства. Этот недостаток можно устранить, если выбрать параметры токоограничивающих цепей такими, чтобы расчетные токи реакторов и индуктивных элементов выросли до значений, которые имеют место у прототипа. Увеличение указанных токов ускорит заряд выходного конденсатора.When the third switch 20 is open, the resistor 19 is turned on in series with the capacitor 11. The oscillating component does not visually appear either in the current of the inductive element 10 (Fig. 4, a) or in the current of the capacitor 11 (Fig. 4, a). The current values of the currents of the first 8 and second 9 reactors, as well as the inductive element 10 with the closed state of the third key 20 are 34.3 A and 33.5 A, respectively, and with the open state of this key - 39.5 A and 38.4 A. Thus, the proposed device allows to reduce the currents of the first and second reactors, as well as the inductive element and the diodes of the high voltage, in comparison with the prototype - by 15%. This result allows you to select the listed items with smaller mass and dimensional indicators. The average modulus of the current value of the inductive element 10 is 29.5 A, which is 12% less than with the closed third key 20 (A). Therefore, with the indicated value of the voltage of the output capacitor 25 is by the same percentage lower than that of the prototype, and the average value of the current charging the output capacitor 25. As a result, the output capacitor with a capacity of 50,000 microfarads is charged to a voltage of 300 V when the third switch 20 is closed, for , 74 s (during this time this capacitor will be charged to the specified voltage using the prototype), and when it is open, it will take 0.94 s. An increase in the charge time of the output capacitor compared to the prototype is a drawback the proposed device. This disadvantage can be eliminated by choosing the parameters of current-limiting circuits so that the rated currents of the reactors and inductive elements increase to the values that occur in the prototype. The increase in these currents will accelerate the charge of the output capacitor.

Преимущество предлагаемого устройства в наибольшей мере проявляется при сравнении действующих значений токов конденсатора 11, соответствующих разомкнутому и замкнутому состояниям ключа 20. В первом случае - это 5,7 А, а во втором 13,5 А, что в 2,4 раза больше. Отсюда следует, что при напряжении выходного конденсатора, равном 180 В, расчетное действующее напряжение конденсатора 11 для прототипа составляет 680 В, а для предлагаемого устройства - всего 290 В. Несомненно преимущество предлагаемого устройства.The advantage of the proposed device is most evident when comparing the current values of the currents of the capacitor 11 corresponding to the open and closed states of the key 20. In the first case, it is 5.7 A, and in the second 13.5 A, which is 2.4 times more. It follows that when the voltage of the output capacitor is equal to 180 V, the calculated effective voltage of the capacitor 11 for the prototype is 680 V, and for the proposed device is only 290 V. There is no doubt the advantage of the proposed device.

Работа предлагаемого устройства в его трехфазном варианте происходит аналогично тому, что было показано применительно к однофазному УВН.The operation of the proposed device in its three-phase version occurs similarly to what was shown in relation to a single-phase UVN.

Когда напряжение выходного конденсатора 25 достигнет 95% от номинального значения выходного напряжения УВН, третий ключ 20 может быть включен, что позволит уменьшить потери мощности в токоограничивающих цепях. При этом действующее значение тока конденсатора 11 не будет превосходить значения, которое соответствует току этого конденсатора при разомкнутом состоянии третьего ключа 20 и напряжении выходного конденсатора, равном половине номинального выходного напряжения УВН.When the voltage of the output capacitor 25 reaches 95% of the nominal value of the output voltage of the IHV, the third switch 20 can be turned on, which will reduce power losses in current-limiting circuits. In this case, the current value of the current of the capacitor 11 will not exceed a value that corresponds to the current of this capacitor when the third switch 20 is open and the voltage of the output capacitor is equal to half the rated output voltage of the UVN.

Когда напряжение выходного конденсатора 25 достигнет 98-99% от номинального значения выходного напряжения УВН, вторые выключатели 13 замыкают, а когда токи первых реакторов затухнут, размыкают первые выключатели 12. После выполнения указанных переключений выключателей 12 и 13 управляемый выпрямитель 2 готов к немедленному подключению нагрузки и переходу в управляемый режим работы. В этом режиме работы к выходным зажимам 26 УВН 2 подключена нагрузка, потребляющая ток i_НГ, который проходит в указанном на фиг.1 и фиг.2 направлении, (или генерирующая этот ток, тогда его направление изменяется на противоположное). У УВН 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 входных токов устройства i_ВХ; 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 выходного конденсатора 25 (при этом среднее значение тока i_К 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 выходного конденсатора 25. 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 коммутации. Совокупность высших гармоник образуют пульсации, максимальная амплитуда которых близка к напряжению выходного конденсатора 25. 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 УВН 2. 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 УВН 2, делает их ничтожно малыми. Тем самым обеспечивается электромагнитная совместимость УВН 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 отношению к УВН 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.When the voltage of the output capacitor 25 reaches 98-99% of the nominal value of the output voltage of the UVN, the second switches 13 close, and when the currents of the first reactors die out, open the first switches 12. After performing the indicated switches of the switches 12 and 13, the controlled rectifier 2 is ready for the immediate connection of the load and transition to a controlled mode of operation. In this operating mode, a load is consumed to the output terminals 26 of the UVN 2, which consumes the _NG current i, which passes in the direction indicated in FIG. 1 and FIG. 2 (or generates this current, then its direction changes to the opposite). At UVN 2, the electronic keys 24 and the diodes 23 conduct the current in turn. The microprocessor, according to the program laid down in it, turns on and off the electronic keys 24. The switching frequency, which determines the time intervals for switching on the next key 24, is hundreds (or even thousands) times higher than the source frequency 3 voltages. The microprocessor program implements the following conditions: the first is an almost sinusoidal form of the input currents of the device i _BX ; the second is the specified phase shift of the first harmonic of this current (usually zero when the rectifier 2 is in the rectifier mode or 180 ° when it is in the inverter mode); the third is a constant average value of the voltage of the output capacitor 25 (in this case, the average value of the current i _K is zero). The voltage at the input terminals 7 of the rectifier 2 is formed by electronic keys. The line voltage at these terminals has the form of a sequence of rectangular pulses repeating with a switching frequency. The amplitude of the pulses is equal to the voltage of the output capacitor 25. Their duration is changed so that the specified linear voltage does not contain higher harmonics close to the first one having a frequency of source 3. The highest harmonics closest to the first have frequencies that are approximately twice the switching frequency. The set of higher harmonics is formed by ripples, the maximum amplitude of which is close to the voltage of the output capacitor 25. The relatively small inductance of the inductive element 10, in comparison with the inductance of the first reactor, provides a very large value of the inductance for the currents generated by the higher harmonics of the input voltage of the UVN 2. At the same time, the relatively small capacitance of the capacitor 11 provides a very small value of capacitance for the currents of these higher harmonics. Therefore, the voltage ripple on this capacitor is extremely small, this voltage has an almost sinusoidal shape. High, for higher harmonics, the resistance of the second reactor 8 additionally suppresses the higher harmonics of the input current i ₂ UVN 2, making them negligible. This ensures electromagnetic compatibility of UVN with other consumers connected to the source 3 of the AC voltage. The T-shaped filter formed by the second reactors 9, inductive elements 10 and capacitors 11 also suppresses the higher harmonics of the currents passing through the elements of the specified T-shaped filter, which are caused by external reasons with respect to the UVN 2. These higher harmonics are created by deviations of the shape of the EMF curve of source 3 from the sine wave or by the presence of higher harmonics in the currents of other consumers. Such an action of the T-shaped filter reduces power losses in its elements, increasing their resource.

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 Yore, 2003, Figs. 18-8 and 18-12.2. N. Mohan, T.M. Underland, W.P. Robbins, Power electronics, John Wiley & Sons, Inc., New Yore, 2003, Figs. 18-8 and 18-12.

3. Sibest Auxiliary Converter for Electric Locomotives. Transportation Systems. SIEMENS, www.siemens.com/transportation (второй аналог).3. Sibest Auxiliary Converter for Electric Locomotives. Transportation Systems. SIEMENS, www.siemens.com/transportation (second equivalent).

4. Патент RU 2372706. Устройство для подключения управляемого выпрямителя напряжения к источнику напряжения переменного тока / Копылов В.В., Коршунов А.В., Кувшинов Г.Е., Наумов Л.А., Филоженко А.Ю. Бюл. 2009. №31. (прототип).4. Patent RU 2372706. A device for connecting a controlled voltage rectifier to an AC voltage source / Kopylov V.V., Korshunov A.V., Kuvshinov G.E., Naumov L.A., Filozhenko A.Yu. Bull. 2009. No31. (prototype).

Claims

1. 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 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, the first and second cores, capacitor, 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 is connected through the first reactor to the second terminal of the first switch, and through the second reactor is connected to the first terminal of the inductive element, the second terminal of which connected to the output terminal of the specified device, the first terminal of the capacitor is connected to the first terminal of the inductive element, and the second terminal of the capacitor is connected to the common for all current-limiting circuits left terminal device, characterized in that each current-limiting circuit connected in parallel introduced damping resistor and a third switch that is connected between the first terminal of the inductive element and the first terminal of the capacitor.

2. The device according to claim 1, characterized in that the number of input and output terminals of the device are equal to two, while the device contains only one current-limiting circuit connecting one of the two input terminals of the device with one of the two output terminals of the device, and the second input and output the clamps of the device are connected to the second clamp of the capacitor included in the specified current-limiting circuit.