RU2602514C2

RU2602514C2 - Direct frequency converter with input voltage sources, amplitude-modulated by sinusoidal law

Info

Publication number: RU2602514C2
Application number: RU2015102385/07A
Authority: RU
Inventors: Георгий Михайлович Свиридов; Александр Александрович Павлов; Алексей Александрович Клоков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Электровыпрямитель"
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2016-11-20
Also published as: RU2015102385A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and power electronics and can be used during designing high quality three-phase alternating voltage generating systems with frequency of 50 Hz in self-contained units. At DFC input shall be supplied three three-phase systems of special type voltages based on voltage pulsations from two generators with different frequencies or amplitude-modulated by sinusoidal law. For this purpose, it is proposed to make each group of power elements in form of one set of six two-way switches on IGBT-transistors, connected in pairs opposite to each of six branches, each group inlet includes filter, three input voltage transducers, at output are current sensor and output voltage sensor, control system has five inputs and twelve outputs, wherein outputs of voltage and current sensors are connected to control system inputs, and control system outputs are connected to corresponding bidirectional switches control terminals.

EFFECT: obtaining at DFC output of three-phase voltage with shape maximally close to sinusoidal, as well as providing system operation for asymmetrical load with wide range of power factor values (both of inductive and capacitive nature).

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении систем генерирования трехфазного переменного напряжения частотой 50 Гц в автономных установках, в частности в энергетических системах судов и других объектов, где применяются турбогенераторные агрегаты с высокой частотой вращения и имеющие на выходе генератора высокочастотное напряжение, модулированное по амплитуде по синусоидальному закону.The invention relates to the field of electrical engineering and power electronics and can be used in the construction of systems for generating three-phase alternating voltage with a frequency of 50 Hz in stand-alone installations, in particular in power systems of ships and other facilities where high-speed turbo-generating units with a high-frequency output from the generator are used voltage modulated in amplitude according to a sinusoidal law.

Такая система генерирования синусоидального напряжения с использованием двух генераторов высокой частоты с числом пар полюсов p±1 и специальным образом подключенных суммирующих трансформаторов предложена в патенте [1].Such a system for generating a sinusoidal voltage using two high-frequency generators with the number of pole pairs p ± 1 and specially connected summing transformers is proposed in the patent [1].

Суммирующие трансформаторы формируют три трехфазные системы напряжений специального вида на основе биений напряжений от двух генераторов с различными частотами.Summing transformers form three three-phase voltage systems of a special type based on voltage beats from two generators with different frequencies.

Каждое из трех трехфазных напряжений биений в питающей системе имеет сдвиг по фазе в 120° на частоте биений (Фиг. 2) и используется для формирования одной фазы выходного напряжения преобразователем частоты с непосредственной связью. Частота напряжений биений равна частоте выходного напряжения (50 Гц ±0,5%).Each of the three three-phase beating voltages in the supply system has a phase shift of 120 ° at the beating frequency (Fig. 2) and is used to form one phase of the output voltage with a direct-coupled frequency converter. The frequency of the beating voltages is equal to the frequency of the output voltage (50 Hz ± 0.5%).

В указанном патенте для формирования выходного напряжения с частотой 50 Гц предложено использовать тиристорный непосредственный преобразователь частоты (НПЧ). Однако описанная тиристорная схема в данном приложении имеет явные недостатки, связанные с неполной управляемостью вентилей, при этом в случае активно-индуктивного характера нагрузки продолжающиеся реактивные токи не могут быть прерваны за счет естественной коммутации при переходе напряжения в область другого знака, и это существенно искажает выходное напряжение.In this patent, it is proposed to use a thyristor direct frequency converter (LPC) for generating an output voltage with a frequency of 50 Hz. However, the described thyristor circuit in this application has obvious drawbacks associated with incomplete controllability of the valves, and in the case of an active-inductive nature of the load, the continuing reactive currents cannot be interrupted due to natural switching when the voltage goes into the region of another sign, and this significantly distorts the output voltage.

Практическая реализация устройства по патенту показала, что его преимущества проявляются только при чисто активном характере нагрузки.The practical implementation of the device according to the patent showed that its advantages are manifested only with the purely active nature of the load.

Задачей предлагаемого изобретения является получение на выходе НПЧ трехфазного напряжения с формой, максимально близкой к синусоидальной, а также обеспечение работы системы с тремя входными трехфазными напряжениями, имеющими форму напряжений биений (или амплитудно-модулированных напряжений) на несимметричную нагрузку с широким диапазоном значений коэффициента мощности (как индуктивного, так и емкостного характера).The objective of the invention is to obtain a three-phase voltage at the output of the NPF with a shape as close to sinusoidal as possible, as well as ensuring the operation of the system with three input three-phase voltages, having the form of beating voltages (or amplitude-modulated voltages) for an asymmetric load with a wide range of power factor values ( both inductive and capacitive).

Указанная задача достигается за счет того, что для этого в отличие от входящего в состав прототипа преобразователя частоты с непосредственной связью, состоящего из 3-х групп вентильных комплектов, каждая из которых содержит два встречно включенных мостовых тиристорных выпрямителя, к выходу которых подключена трехфазная нагрузка, и систему управления, предлагается каждую группу силовых элементов выполнить в виде одного комплекта из шести двунаправленных ключей на IGBT-транзисторах, включенных попарно, встречно в каждую из шести ветвей, на входе каждой группы введен фильтр, три датчика входного напряжения, на выходе датчик тока и датчик выходного напряжения, система управления имеет 5 входов и 12 выходов, причем выходы датчиков напряжения и тока подключены ко входам системы управления, а выходы системы управления подключены к соответствующим электродам управления двунаправленных ключей.This task is achieved due to the fact that, in contrast to the direct-coupled frequency converter, which is part of the prototype, this consists of 3 groups of valve sets, each of which contains two counter-connected thyristor bridge rectifiers, the output of which is connected to a three-phase load, and a control system, it is proposed that each group of power elements be made in the form of one set of six bidirectional keys on IGBT transistors connected in pairs, counterclockwise to each of the six branches, the input of each group has a filter, three input voltage sensors, an output current sensor and an output voltage sensor, the control system has 5 inputs and 12 outputs, and the outputs of the voltage and current sensors are connected to the inputs of the control system, and the outputs of the control system are connected to the corresponding control electrodes bidirectional keys.

Введение шести двунаправленных ключей на полностью управляемых IGBT-транзисторах, включенных попарно, встречно в каждую из шести ветвей силового комплекта и комплекса датчиков напряжения и выходного тока позволяет (как у прототипа) при подаче на силовые входы трехфазного напряжения, модулированного по амплитуде по синусоидальному закону, получить на выходе синусоидальное напряжение с частотой огибающей модуляции. Кроме того, определяя с помощью датчиков выходного тока и напряжения области появления обратного реактивного тока, можно включить соответствующие силовые ключи и пропустить реактивный ток на входную фазу, полярность которой выбирается по показаниям трех входных датчиков напряжения. Это - существенный отличительный признак предлагаемого устройства.The introduction of six bidirectional switches on fully controllable IGBT transistors, connected in pairs, counter to each of the six branches of the power set and the complex of voltage and output current sensors allows (as in the prototype) when applying three-phase voltage modulated in amplitude to the power inputs according to a sinusoidal law, to receive at the output a sinusoidal voltage with a frequency of the modulation envelope. In addition, by determining the area of occurrence of reverse reactive current using sensors of the output current and voltage, one can turn on the corresponding power switches and pass the reactive current to the input phase, the polarity of which is selected from the readings of the three input voltage sensors. This is an essential hallmark of the proposed device.

Сущность изобретения поясняется рисунками, где на Фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства, а на Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5 - временные диаграммы напряжений, действующих в разных точках схемы, и поясняющие принцип действия.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a diagram of the proposed device, and in FIG. 2, FIG. 3, FIG. 4, FIG. 5 - time diagram of stresses acting at different points of the circuit, and explaining the principle of operation.

Предлагаемый НПЧ состоит из трех одинаковых секций (Фиг. 1), каждая из которых формирует одну фазу выходного напряжения. Выходы у секций объединяет общий провод, образующий нейтраль выходного трехфазного напряжения. Схема (Фиг. 1) содержит шесть плеч двунаправленных ключей (транзисторы 1 и 7, 2 и 8, 3 и 9, 4 и 10, 5 и 11, 6 и 12), входные предохранители 13, 14, 15, входной фильтр, образованный конденсаторами 17, 18, 19, датчики трех линейных входных напряжений 20, 21, 22, датчик выходного напряжения 23, датчик выходного тока 16 и систему управления 24.The proposed NPF consists of three identical sections (Fig. 1), each of which forms one phase of the output voltage. The outputs of the sections are united by a common wire forming the neutral of the output three-phase voltage. The circuit (Fig. 1) contains six shoulders of bidirectional keys (transistors 1 and 7, 2 and 8, 3 and 9, 4 and 10, 5 and 11, 6 and 12), input fuses 13, 14, 15, an input filter formed capacitors 17, 18, 19, sensors of three linear input voltages 20, 21, 22, an output voltage sensor 23, an output current sensor 16 and a control system 24.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Каждое из трех трехфазных высокочастотных напряжений, имеющих форму, показанную на фиг. 2, подаваемых на вход какой-либо секции НПЧ, формирует на выходе одну фазу напряжения 50 Гц, представляющую собой огибающую входного трехфазного напряжения.Each of the three three-phase high frequency voltages having the shape shown in FIG. 2, applied to the input of any section of the NPC, generates at the output one phase of a voltage of 50 Hz, which is the envelope of the input three-phase voltage.

Датчики выходного напряжения 23 и тока 16 сканируют полярности выходных напряжения и тока, т.е. фактически определяют, в каком из четырех интервалов работает преобразователь в данный момент в соответствии с Фиг. 3. Здесь показан случай, когда выходной ток отстает от выходного напряжения (индуктивная нагрузка), однако принципы управления остаются одинаковыми для любой нагрузки.The sensors of the output voltage 23 and current 16 scan the polarity of the output voltage and current, i.e. in fact, it is determined in which of the four intervals the converter is currently operating in accordance with FIG. 3. The case where the output current is behind the output voltage (inductive load) is shown here, however, the control principles remain the same for any load.

Видно, что можно за период выходного напряжения выделить четыре интервала, в которых управление осуществляется по-разному (U>0 и I<0, U>0 и I>0, U<0 и I>0, U<0 и I<0).It can be seen that for the output voltage period, four intervals can be distinguished in which the control is carried out differently (U> 0 and I <0, U> 0 and I> 0, U <0 and I> 0, U <0 and I < 0).

В интервале (U>0 и I>0) необходимо подавать в нагрузку положительное напряжение, для этого нужно включить транзистор, соединяющий с нагрузкой ту фазу входного напряжения, на которой в данный момент времени присутствует максимальное положительное напряжение (например, транзистор 1, если на фазе А напряжение максимальное и положительное). Тогда ток входной фазы А пойдет через открытый транзистор 1 и оппозитный диод транзистора 7 в нагрузку. Для сборки цепи нужно открыть один из транзисторов нижних плеч. Если потенциал входной фазы С наиболее отрицательный в этот момент, нужно открыть транзистор 6, и ток пойдет через нагрузку, транзистор 6 и оппозитный диод транзистора 12 во входную фазу С.In the interval (U> 0 and I> 0), it is necessary to apply a positive voltage to the load, for this it is necessary to turn on the transistor, which connects to the load the phase of the input voltage at which the maximum positive voltage is present at a given time (for example, transistor 1, if at phase A, the voltage is maximum and positive). Then the current of the input phase A will go through the open transistor 1 and the opposite diode of the transistor 7 to the load. To assemble the circuit, you need to open one of the lower arm transistors. If the potential of the input phase C is most negative at this moment, you need to open the transistor 6, and the current will go through the load, the transistor 6 and the opposite diode of the transistor 12 into the input phase C.

Для определения комбинации ключей, которые необходимо включить в данный момент времени, в системе управления заложены три датчика входных напряжений 20, 21, 22, с помощью которых определяется, какая фаза в данный момент имеет наибольшее положительное, среднее и наиболее отрицательное напряжение. Таким образом, определяется сектор времени, в котором в схеме работает определенная комбинация транзисторов. Принцип определения секторов времени показан на Фиг. 4. Система управления сканирует входные напряжения и определяет моменты переходов состояний для управления ключами. Амплитуды входных линейных напряжений изображены для простоты одинаковыми.To determine the combination of keys that must be turned on at a given time, the control system contains three input voltage sensors 20, 21, 22, with which it is determined which phase currently has the largest positive, average, and most negative voltage. Thus, a sector of time is determined in which a certain combination of transistors operates in the circuit. The principle of determining the time sectors is shown in FIG. 4. The control system scans the input voltage and determines the moments of state transitions for key management. The amplitudes of the input line voltages are shown to be the same for simplicity.

Очевидно, что в данной схеме возможен также алгоритм управления, который по аналогии с тиристорными схемами может быть назван групповым. При совпадении направлений напряжения и тока в нагрузке, например, при формировании положительного напряжения в интервале (U>0 и I>0 на Фиг. 3) можно открыть все транзисторы №№1, 2, 3, 4, 5, 6. Тогда схема будет работать как диодный мост Ларионова на оппозитных диодах транзисторов №№7, 8, 9, 10, 11, 12 в режиме «естественной» коммутации.Obviously, a control algorithm is also possible in this circuit, which, by analogy with thyristor circuits, can be called group. If the directions of voltage and current in the load coincide, for example, when a positive voltage is generated in the interval (U> 0 and I> 0 in Fig. 3), all transistors Nos. 1, 2, 3, 4, 5, 6 can be opened. Then the circuit will operate as a Larionov diode bridge on the opposite diodes of transistors No. 7, 8, 9, 10, 11, 12 in the “natural” switching mode.

Для формирования отрицательного напряжения при отрицательном токе в нагрузке (интервал U<0 и I<0 на Фиг. 3) нужно включать в соответствии с текущими состояниями на входе транзисторы 10, 11, 12, 7, 8, 9, соединяя наиболее отрицательные фазы с наиболее положительными.To form a negative voltage with a negative current in the load (interval U <0 and I <0 in Fig. 3), transistors 10, 11, 12, 7, 8, 9 must be turned on in accordance with the current conditions at the input, connecting the most negative phases with most positive.

Возможно также групповое управление.Group management is also possible.

При несовпадении направлений выходного тока и напряжения (интервалы U>0 и I<0, U<0 и I>0 на Фиг. 3) необходимо возвращать в питающую сеть реактивную энергию, запасенную в нагрузке, для этого должна быть открыта только одна пара транзисторов, обеспечивающая протекание тока нагрузки, которая является в этот момент генератором, в фазу источника, которая имеет в данный момент наиболее противодействующий току нагрузки потенциал.If the directions of the output current and voltage do not coincide (intervals U> 0 and I <0, U <0 and I> 0 in Fig. 3), it is necessary to return reactive energy stored in the load to the mains supply, for this only one pair of transistors must be open , ensuring the flow of the load current, which is at this moment a generator, into the phase of the source, which has at the moment the most resistance to the load current potential.

Например, в интервале U>0 и I<0 на Фиг. 3 (на нагрузке в данном интервале положительное напряжение, а ток все еще отрицательный) и система управления 24 обнаружила, что в данный момент на входе действует сектор A>B>C в соответствии с Фиг. 4, нужно открыть транзисторы 7 и 12.For example, in the interval U> 0 and I <0 in FIG. 3 (at the load in this interval, the voltage is positive, and the current is still negative) and the control system 24 has detected that at the moment the sector A> B> C acts at the input in accordance with FIG. 4, need to open transistors 7 and 12.

Если интервал рекуперации занимает несколько секторов с разными комбинациями состояний входных напряжений, необходимо в каждом секторе определять пару транзисторов, позволяющих возвращать энергию в сеть. Форма выходного напряжения в интервалах рекуперации зависит от соотношения внутреннего сопротивления генерирующей системы, приведенного ко входу НПЧ, и сопротивления нагрузки.If the recovery interval covers several sectors with different combinations of input voltage states, it is necessary in each sector to determine a pair of transistors that allow energy to be returned to the network. The shape of the output voltage in the recovery intervals depends on the ratio of the internal resistance of the generating system, reduced to the input of the low-pass filter, and the load resistance.

На входе схемы Фиг. 1 введены конденсаторы 17, 18, 19, сглаживающие влияние коммутаций транзисторов на входную сеть и предохраняющие транзисторы от выбросов напряжений при выключениях (функция снабберов), а также быстродействующие предохранители 13, 14, 15 для защиты аппаратуры от коротких замыканий при возможных неправильных коммутациях.At the input of the circuit of FIG. 1, capacitors 17, 18, 19 are introduced that smooth the effect of switching transistors on the input network and protect the transistors from voltage surges during shutdowns (snubber function), as well as high-speed fuses 13, 14, 15 to protect the equipment from short circuits in case of possible incorrect switching.

Существенным преимуществом данной схемы является очень низкий коэффициент искажений выходных напряжений. Типичный вид выходного напряжения одной фазы без выходного фильтра показан на Фиг. 5. Здесь можно видеть незначительные пульсации напряжения.A significant advantage of this circuit is the very low distortion coefficient of the output voltages. A typical view of the output voltage of one phase without an output filter is shown in FIG. 5. Here you can see minor ripple voltage.

Учитывая высокую частоту пульсаций, применение легкого фильтра делает выходное напряжение практически синусоидальным.Given the high ripple frequency, the use of a light filter makes the output voltage almost sinusoidal.

Компьютерное моделирование показало, что предложенный НПЧ может работать без искажения формы выходного напряжения на несимметричные нагрузки с cos φ>0,5.Computer simulation showed that the proposed low-frequency converter can operate without distorting the shape of the output voltage for unbalanced loads with cos φ> 0.5.

Кроме этого преимуществом предлагаемой схемы является то, что коммутационные интервалы (при переходах тока с одного прибора на другой) гораздо короче, чем в тиристорной схеме, так как оппозитные диоды в IGBT-транзисторах имеют низкие времена восстановления закрытого состояния.In addition, the advantage of the proposed circuit is that the switching intervals (during current transitions from one device to another) are much shorter than in the thyristor circuit, since the opposite diodes in IGBT transistors have low closed-state recovery times.

Преобразователь в отличие от инверторов имеет малые динамические потери в транзисторах, так как максимальная частота коммутации ключей равна частоте питающего напряжения.The converter, unlike inverters, has low dynamic losses in transistors, since the maximum switching frequency of the keys is equal to the frequency of the supply voltage.

Статические потери во включенном состоянии ключа также невелики, так как каждый транзистор открыт в течение одной трети периода огибающей.The static losses in the on state of the key are also small, since each transistor is open for one third of the envelope period.

Источники информацииInformation sources

1. Патент РФ №2457603 на изобретение «Судовой электрогенератор с высокой частотой вращения преимущественно для судовых электростанций», Авторы Свиридов Г.М., Павлов А.А., Свиридов С.Г., Горелов Д.Б.1. RF patent No. 2457603 for the invention of “Ship electric generator with a high speed mainly for ship power plants”, Authors Sviridov GM, Pavlov AA, Sviridov SG, Gorelov DB

Claims

A direct frequency converter with input voltage sources modulated in amplitude according to a sinusoidal law, to the inputs of which three systems of three-phase beating voltages or amplitude-modulated voltages at a frequency of 50 Hz are supplied, containing three sections forming the phases of the output voltages, characterized in that each of the sections includes six bidirectional keys on IGBT transistors, connected in pairs, counterclockwise to each of the six branches, a filter is introduced at the input of each group and three input voltage sensors In addition, a current sensor and an output voltage sensor, a control system having five inputs and twelve outputs are introduced to the output of each group, the outputs of the voltage and current sensors connected to the inputs of the control system, and the outputs of the control system connected to the corresponding control electrodes of bidirectional keys.