SU1112506A1

SU1112506A1 - Single-phase thyristor converter with artificial switching

Info

Publication number: SU1112506A1
Application number: SU833617583A
Authority: SU
Inventors: Сергей Николаевич Сидоров; Лев Теодорович Магазинник
Original assignee: Ульяновский политехнический институт
Priority date: 1983-07-08
Filing date: 1983-07-08
Publication date: 1984-09-07

Abstract

ОДНОФАЗНЫЙ ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ИСКУССТВЕННОЙ КОММУТАЦИЕЙ , содержащий четыре силовых тиристора, включенных по мостовой схеме выпр млени , пол рный конденсатор фильтра, подключенный к зажимам переменного тока через однофазный диодный мост, а также полностью управл емый тиристорный ключ, образованный последовательным соединением коммутирующего конденсатора и дроссел , зашунтированных в направлении подготовительного перезар да конденсатора коммутирующим тиристором , отличающийс тем, что, с целью его упрощени и уменьшени массогабаритных показателей путем сокращени числа тиристорных ключей, один из зажимов посто нного тока, образованный общими катодами силовых тиристоров, соединен с поло (Л жительной обкладкой конденсатора фильтра, через дополнительно введенный тиристор, вколоченный в провод щем направлении - с анодом коммути рующего тиристора и через дополнительно введенный диод, включенный в непровод щем направлении - с катодом коммутирующего тиристора, причем последний анодом подключен к другому зажиму посто нного тока, образован1чЭ ному общими анодами силовых тиристоСЛ ров , а катодом - к отрицательной обкладке конденсатора фильтра. PHASE thyristor converter with forced switching having four power thyristor in a bridge circuit rectifying, polar filter capacitor connected to terminals of alternating current through a single-phase diode bridge and a fully controllable thyristor switch formed by a series connection of a switching capacitor and a choke, shunted in the direction of the preparatory recharging of a capacitor by a switching thyristor, characterized in that, in order to simplify it, and weight and size indicators by reducing the number of thyristor switches, one of the DC terminals formed by common cathodes of power thyristors is connected to the positive side of the filter capacitor, through the additionally inserted thyristor impacted in the conductive direction - to the anode of the switching thyristor and an additionally inserted diode, connected in a non-conducting direction — with a cathode of a commuting thyristor, the latter being connected by an anode to another DC terminal, formed by This is common to the common anodes of the power thyristors, and the cathode to the negative plate of the filter capacitor.

Description

Изобретение относитс к электротехнике , в частности к однофазным ти ристорным преобразовател м с искусственной коммутацией, получаюищм разнообразное применение в качестве автономных инверторов, либо зависимых (сетевых) преобразователей, имею щих по сравнению с обычными выпр ми тельными схемами повышенный коэффици ент мощности и более широкую полосу .пропускаемых частот. Известны однофазные тиристорные преобразователи с устройством искусственной коммутации, содержащим пол рный , например, электролитический конденсатор фильтра, подключаемый на интервалах коммутации параллельно тиристорам или нагрузке с помощью полностью управл емых тиристорных ключей ij . , В аналогичных преобразовател х ма лой мощности роль полностью управл е мых тиристорных ключей могут выполн ть транзисторы или двухоперационные тиристоры 2J . Наиболее близким к изобретению вл етс однофазный тиристорный преобразователь с искусственной коммута цией, содержащий четыре силовых тиристора , включенных по мостовой схеме выпр млени , пол рньгй конденсатор фильтра, подключенный к зажимам пере менного тока через однофазный диодный мост, а также полностью управл е мый тиристорньй ключ, образованный последовательным соединением коммути рующего конденсатора и дроссел , зашунтированных в направлении подготовительного перезар да конденсатора коммутирующим тиристором. В преобразователе используютс два полностью управл емых ключа, с помощью которых пол рньй конденсатор подключаетс к зажимам посто нного тока. Коммутации осуществл ютс в два этапа. На первом этапе одновременное замыкание ключей обеспечивает перехо тока нагрузки в цепь конденсатора фильтра и его частичный разр д; последующее размыкание ключей на втором этапе приводит к переводу тока нагрузки в другую пару силовых тирис торов и зар ду конденсатора убывающим фазным током вновь до исходного уровн . Такое построение преобразова тел исклюг ает накапливание зар да на об1спадках конденсатора фильтра, а также позвол ет уменьшить емкость коммутирующих конденсаторов в составе ключей до величины, необходимой дл запирани тиристоров, наход щихс под неполным током нагрузки З. Однако наличие двух одинаковых одновременно работающих полностью управл емых ключей существенно усложн ет устройство. Кроме того, сравнительно низкие удельные характеристики непол рных коммутируюш 1х конденсаторов вл ютс причиной неудовлетворительных массогабаритных показателей всего преобразовател . Целью изобретени влетс упрощение и уменьшение массогабаритных показателей преобразовател путем сокращени числа полностью управл емых тиристорных ключей. Поставленна цель достигаетс тем, что в однофазном тиристорном преобразователе с искусственной коммутацией, содержащем четыре силовых тиристора, включенных по мостовой схеме выпр млени , пол рный конденсатор фильтра, подключенный к зажимам переменного тока через однофазный диодный мост, а также полностью управл емый тиристорный ключ, образованный последовательным соединением коммутирующего конденсатора и дроссел , зашунтированных в направлении подготовительного перезар да конденсатора коммутирующим тиристором, один из зажимов посто нного тока, образованный общими катодами силовых тиристоров, соединен с положительной обкладкой конденсатора фильтра, через дополнительно введенный тиристор, включенный в провод щем направлении, - с анодом коммутирующего тиристора и через дополнительно введенный диод, включенный в непровод щем направлении, - с катодом коммутирующего тиристора, причем последний анодом подключен к другому зажиму посто нного тока, образованному общими анодами силовых тиристоров, а катодом - к отрицательной обкладке конденсатора фильтра. На фиг. 1 изображена принципиаль-/ на схема предлагаемого преобразовател ; на фиг. 2 - временные диаграммы напр жений и токов, иллюстрирующие работу устройства. Обозначени , прин тые на диаграммах: U| и i| - напр жение и ток К-го элемента схемы; U( и ioj - напр жение и ток на входе преобразовател . 3. 1 Преобразователь содержит четыре силовых тиристора 1-4, включенных по однофазной мостовой схеме выпр млени , причем тиристоры 1 и 3 образуют катодную, а тиристоры 2 и 4 анодную группы моста. К зажимам переменного тока с помощью диодного моста, выполненного на диодах 5-8, подключен пол рный конденсатор 9 фильтра, причем его положительна обкладка соединена с общими катодами диодов 5 и 7, а отрицательна обклад ка - с общими анодами диодов 6 и 8, Полностью управл емый тиристорный ключ образован последовательным соединением коммутирующего конденсатора 10 и дроссел 11, зашунтированных в направлении подготовительного переза р да конденсатора коммутирующим тиристором 12. Положительный полюс мос та, образованный катодами тиристоров 1 и 3, соединен с положительной обкладкой конденсатора фильтра и одновременно с помощью включенного в про вод щем направлении тиристора 13 сое динен с анодом коммутирующего тиристора , а также с помощью включенного в непровод щем направлении диода 14 соединен с катодом коммутирующего ти ристора . Вместе с этим коммутирующий тиристор своим анодом подключен к от рицательному полюсу моста, образован ному анодами тиристоров 2 и 4, а катодом - к отрицательной обкладке кон денсатора фильтра. Работу устройства рассмотрим на примере использовани его как зависи мого (сетевого) преобразовател , полага , что зажимы переменного тока подключены с помощью согласующего трансформатора или токоограничивающе го реактора к питающей сети, а к зажимам посто нного тока подключена цепь нагрузки с достаточной дл сгла живани тока индуктивностью. Полагаетс также, что включение тиристоров осуществлетс с опережением относительно моментов перехода сетевого напр жени на анодах в поло жительную сторону. При пуске преобразовател требует с предварительный зар д, дл чего устройство подключают к сети, а управл ющие импульсы подают лишь на ти ристор 13. При этом зар д конденсатора 9 фильтра происходит по цеп м, содержащим диоды 5-8, а зар д коммутирующего конденсатора 10 по цеп м. 064 содержащим диоды 5-8 и тиристор 13. , Благодар наличию в контуре индуктивных элементов зар д происходит до уровн , превышающего амплитуду напр жени сети с пол рностью напр жени на обкладках, указанной на фиг. 1 без скобок. В результате зар да конденсаторов диоды 5-8 и тиристор 13 станов тс запертыми. Пусть в результате подачи управл ющих импульсов ток нагрузки протекает по цепи, содержащей силовые тиристоры 1 и 2 (фиг. 2). В начале первого этапа искусственной коммутации управл ющий импульс подают на коммутирующий тиристор 12, после чего конденсатор 9 фильтра оказываетс включенным параллельно нагрузке. Поскольку начальное напр жение на конденсаторе превышает напр жение нагрузки, ток нагрузки переходит в цепь конденсатора 9. Под воздействием этого тока , протекающего по цепи, образованной тиристором 12, конденсатором 9 и нагрузкой, конденсатор фильтра частично разр жаетс . При этом ток силовьк тиристоров 1 и 2 благодар наличию индуктивности в цепи начинает плавно уменьшатьс . Одновременно с этим происходит подготовительный колебательный перезар д коммутирующего конденсатора 10 по контуру, содержащему тиристор 12 и дроссель 11. Вслед за подготовительным перезар дом, после которого напр жение на обкладках конденсатора 10 имеет знак, указанный на схеме в скобках (фиг, 1), начинаетс обратный рабочий перезар д коммутирующего конденсатора. К этому моменту на следующую пару силовых тиристоров 3 и 4 и тиристор 13 подают управл ющие импульсы с целью подготовки их к включению. Рабочий перезар д конденсатора 10 происходит по параплельным контурам, один из которых содержит дроссель 11 и тиристор 12, другой - дроссель 11, диод 14, тиристор 1 , цепь переменного тока н тиристор 2. Когда составл ющие обратного тока перезар да конденсатора сравниваютс с пр мыми токами, протекающими в этих контурах, тиристоры 1 и 2, а также тиристор 12 выключаютс . Указанные моменты обозначены на диаграммах фиг. 2 вертикальными пунктирными лини ми . После выключени к указанным 51 тиристорам в течение примерно полупериода соб.ственных колебаний тиристорного L-C ключа прикладываетс обратное напр жение, выдел ющеес на диодах 5, 8 и 6,7, которые вместе с тиристором 13 образуют третий параллельный контур обратного перезар да коммутирующего конденсатора. При этом выключившиес тиристоры имеют возможность восстанавливать свою запирающую способность. В этот момент начинаетс второй этап искусственной коммутации, на котором входной ток преобразовател замыкаетс по цепи, содержащей диоды 5 и 6, втека в положительную обклад ку конденсатора 9 и зар жа последний внов до исходного уровн . Одновременно с этим ток нагрузки переходит в цепь подготовленных к включению силовых тиристоров 3 и 4. Под воздействием встречного тока тиристоров 3 и 4, а также в результате возрастани напр жени на обкладках конденсатора 9 фильтра входной ток снижаетс до нул и измен ет свой энак раньше, чем изменитс на положительный знак сетевого напр жени на анодах вновь включившейс пары тиристоров 3 и 4. Одновременно с зар дом конденсатора 9 фильтра по параллельному контуру, включающему в себ диоды 5-8, тиристор 13 и дроссель П происходит дозар д коммутирующего конденсатора 10, необходимый дл ком пенсации потерь энергии в цикле пр м го и обратного перезар дов. В момент окончани коммутации уровень напр же ни на конденсаторах превьштает сетевое напр жение, при этом диоды 5-8 и тиристор 13 оказываютс запертыми до начала очередной коммутации. При проведении следующей коммутации пор док переключений в схеме аналогичный . Таким образом, в предлагаемом уст ройстве искусственна коммутаци силовых тиристоров осуществл етс с по 6 , б мощью одного тиристорного ключа. В сравнении с известной двухключевой схемой тиристорного преобразовател в предлагаемом устройстве удаетс исключить минимум четыре элемента, образующих тиристорный ключ: коммутирующий конденсатор, дроссель, коммутирующие тиристор и диод, шунтирующие ключ в направлени х пр мого и обратного перезар да. При этом в схему добавл етс лишь один элемент: тиристор 13, который, по сравнению с силовыми тиристорами, может быть выбран на меньший средний ток. Уменьшение массогабаритных показателей достигаетс устранением одного из двух коммутирующих конденсаторов, вл ющихс наиболее громоздкими элементами преобразовател . При этом массогабаритные показатели коммути .рующего устройства уменьшаютс как . минимум вдвое, так как емкость коммутирующих конденсаторов в известном и предлагаемом устройствах выбираетс по одинаковой величине тока тиристоров. Предлагаемое устройство сохран ет все достоинства известного устройства,, к которым относ тс сравнительно высокий КОД, вследствие целесообразного использовани избыточной энергии коммутации, поступающей вначале в конденсатор фильтра, а затем в цепь нагрузки; сравнительно мала емкость коммутирзлощих конденсаторов, выполн ющих лишь одну функцию запирани тиристоров; хорошие регулировочные свойства благодар посто нству коммутирующей способности конденсаторов, независимой от величины тока нагрузки; возможность реализации различных способов переключени тиристоров, улучшающих энергетические и динамические показатели преобразовател . Отмеченные достоинства расшир ют области применени устройства, одной из которых может стать автоматизированный электропривод с повьшенными показател ми.The invention relates to electrical engineering, in particular, to single-phase thyristor converters with artificial switching, for various applications as stand-alone inverters, or dependent (network) converters, which have an increased power factor and a wider bandwidth compared to conventional rectifier circuits. Transmitted frequencies. Single-phase thyristor converters are known with an artificial switching device containing a polar, for example, electrolytic filter capacitor, connected at switching intervals parallel to the thyristors or to the load using fully controlled thyristor switches. In similar small power converters, transistors or 2J two-operation thyristors can play the role of fully controlled thyristor switches. Closest to the invention is a single-phase thyristor converter with artificial switching, containing four power thyristors connected in a bridge rectifier circuit, a field filter capacitor connected to the terminals of an alternating current through a single-phase diode bridge, and a fully controlled thyristor key formed by connecting a switching capacitor in series and drossel shunted in the direction of the preparatory recharge of the capacitor by a switching thyristor. The converter uses two fully controllable switches, with which a full-capacitor is connected to the DC terminals. Switching is carried out in two stages. At the first stage, the simultaneous closure of the switches ensures that the load is transferred to the filter capacitor circuit and is partially discharged; the subsequent opening of the keys in the second stage leads to the transfer of the load current to another pair of power thyristors and the charge of the capacitor by decreasing phase current to the initial level again. Such a construction of transforming the bodies eliminates the accumulation of charge on the filter capacitor and also reduces the capacity of the switching capacitors in the keys to the value required for locking the thyristors under the partial load current Z. However, the presence of two identical fully controlled simultaneously operating Keys significantly complicates the device. In addition, the relatively low specific characteristics of non-polarized 1x capacitors cause poor weight and size characteristics of the entire converter. The aim of the invention is to simplify and reduce the mass and size parameters of the converter by reducing the number of fully controllable thyristor keys. The goal is achieved by the fact that in a single-phase thyristor converter with artificial switching, containing four power thyristors connected by a rectifier bridge circuit, a polar filter capacitor connected to the AC terminals via a single-phase diode bridge, as well as a fully controlled thyristor key formed a series connection of the switching capacitor and the drossel shunted in the direction of the preparatory recharge of the capacitor by the switching thyristor, one of the By direct current, formed by common cathodes of power thyristors, is connected to the positive plate of the filter capacitor, through the additionally inserted thyristor connected in the conducting direction, to the anode of the switching thyristor and through the additionally introduced diode connected in the nonconducting direction, to the cathode of the switching thyristor, the latter anode connected to another DC terminal formed by the common anodes of the power thyristors, and the cathode to the negative plate of the filter capacitor. FIG. 1 shows the principle / on the proposed converter circuit; in fig. 2 shows time diagrams of voltages and currents illustrating the operation of the device. Designations adopted on the diagrams: U | and i | - voltage and current of the K-th circuit element; U (and ioj are the voltage and current at the converter input. 3. 1 The converter contains four power thyristors 1-4 connected by a single-phase bridge rectifier circuit, the thyristors 1 and 3 forming the cathode one, and the thyristors 2 and 4 anodic bridge groups. A polarized capacitor 9 of the filter is connected to the clamps of the alternating current using a diode bridge made on diodes 5-8, and its positive facing is connected to the common cathodes of diodes 5 and 7, and the negative facing of ka is connected to the common anodes of diodes 6 and 8, Completely controlled thyristor key is formed by the serial connection of the switching capacitor 10 and the throttles 11, shunted in the direction of the preparatory restart of the capacitor row by the switching thyristor 12. The positive pole of the bridge formed by the cathodes of thyristors 1 and 3 is connected to the positive plate of the filter capacitor and simultaneously 13 is connected to the anode of the switching thyristor, as well as via a diode 14 connected in the non-conducting direction, connected to the cathode of the switching thyristor. At the same time, the switching thyristor is connected by its anode to the negative pole of the bridge, formed by the anodes of thyristors 2 and 4, and by the cathode to the negative plate of the filter capacitor. Consider the device using the example of using it as a dependent (mains) converter, assuming that the AC terminals are connected with a transformer or a current-limiting reactor to the supply network, and the DC terminals are connected to a load circuit with sufficient current inductance . It is also assumed that the switching on of the thyristors is carried out ahead of time with respect to the moments of transition of the mains voltage on the anodes to the positive side. When the converter starts, it requires a preliminary charge, for which the device is connected to the network, and the control pulses are supplied only to the thyristor 13. In this case, the charge of the filter capacitor 9 occurs along circuits containing diodes 5-8, and the switch capacitor charge 10 through the circuits. 064 containing diodes 5-8 and thyristor 13. Due to the presence of inductive elements in the circuit, the charge occurs to a level exceeding the amplitude of the network voltage with the polarity of the voltage on the plates indicated in FIG. 1 without brackets. As a result of the charge of the capacitors, the diodes 5-8 and the thyristor 13 become locked. Let, as a result of the supply of control pulses, a load current flows through a circuit containing power thyristors 1 and 2 (Fig. 2). At the beginning of the first stage of artificial switching, the control pulse is fed to the switching thyristor 12, after which the filter capacitor 9 is turned on parallel to the load. Since the initial voltage on the capacitor exceeds the load voltage, the load current goes into capacitor circuit 9. Under the influence of this current, which flows through the circuit formed by the thyristor 12, capacitor 9 and load, the filter capacitor is partially discharged. In this case, the current of thyristors 1 and 2, due to the presence of inductance in the circuit, begins to decrease smoothly. At the same time, a preparatory oscillatory recharge of the switching capacitor 10 along the circuit containing the thyristor 12 and the choke 11 occurs. Following the preparatory recharging, after which the voltage on the plates of the capacitor 10 has the sign indicated in brackets (Fig. 1), reverse working reload dc switching capacitor. At this point, the next pair of power thyristors 3 and 4 and thyristor 13 serve control pulses in order to prepare them for inclusion. The working recharge of capacitor 10 occurs along paraplel loops, one of which contains choke 11 and thyristor 12, the other - choke 11, diode 14, thyristor 1, alternating current circuit and thyristor 2. When the components of the reverse current of the capacitor recharge are compared with direct the currents flowing in these circuits, thyristors 1 and 2, and also thyristor 12 are turned off. These moments are indicated in the diagrams of FIG. 2 vertical dashed lines. After turning off the thyristors of the thyristor L-C key to approximately 51 thyristors for about half a period, the reverse voltage applied to the diodes 5, 8 and 6.7 is applied, which together with the thyristor 13 form the third parallel circuit of the reverse recharge of the switching capacitor. At the same time, the switched off thyristors have the ability to restore their locking ability. At this moment, the second stage of artificial switching begins, at which the input current of the converter closes along a circuit containing diodes 5 and 6, flows into the positive plate of the capacitor 9 and charges the latter again to the initial level. At the same time, the load current goes into the circuit of power thyristors 3 and 4 prepared for switching on. Due to the counter current of thyristors 3 and 4, as well as as a result of an increase in voltage on the plates of the filter capacitor 9, the input current decreases to zero and changes its power earlier, what changes to the positive sign of the mains voltage on the anodes of the newly turned on thyristors 3 and 4. Simultaneously with charging the capacitor 9 of the filter along a parallel circuit, including diodes 5-8, thyristor 13 and choke P, the charge is going on The coupling capacitor 10 is required to compensate for the energy loss in the forward and reverse recycle cycles. At the time of the end of the switching, the level of voltage on the capacitors exceeds the network voltage, while the diodes 5-8 and the thyristor 13 are locked before the start of the next switching. During the next switching, the order of switching in the circuit is similar. Thus, in the proposed device, the artificial switching of the power thyristors is performed from 6 to 6 by the power of one thyristor key. In comparison with the well-known two-key thyristor converter circuit, the proposed device eliminates at least four elements that form a thyristor switch: a switching capacitor, a choke, a switching thyristor, and a diode that shunt the switch in the forward and reverse recharge directions. In this case, only one element is added to the circuit: a thyristor 13, which, in comparison with power thyristors, can be selected for a lower average current. A reduction in mass and size parameters is achieved by eliminating one of the two switching capacitors, which are the most cumbersome elements of the converter. At the same time, the weight and dimensions of the switching device are reduced as. at least twice, since the capacity of the switching capacitors in the known and proposed devices is selected based on the same current value of the thyristors. The proposed device retains all the advantages of the known device, which include a relatively high CODE, due to the expedient use of excess switching energy, which first enters the filter capacitor and then into the load circuit; the capacitance of commutating capacitors, which perform only one function of locking thyristors, is relatively small; good adjustment properties due to the constant switching capacity of capacitors, independent of the load current; the possibility of implementing various ways of switching thyristors, which improve the energy and dynamic parameters of the converter. The noted advantages expand the field of application of the device, one of which may be an automated electric drive with increased indicators.

X X

5five

/J/ J

-Г--G-

Л L

h Jh J

+ -о .Г+ -o .G

uu

XX

ьлwh

..

ffffff

i«fi “f

Ч.2Part 2

h.6h.6

.4.four

77

Claims

A SINGLE-PHASE THYRISTOR CONVERTER WITH ARTIFICIAL COMMUNICATION, containing four power thyristors connected by a rectification bridge circuit, a polar filter capacitor connected to the AC terminals via a single-phase diode bridge, and a fully controlled thyristor switch formed by a serial connection of a switching capacitor, a dross and a preparatory recharging of the capacitor by a switching thyristor, characterized in that, in order to simplify and reduce it overall dimensions by reducing the number of thyristor switches, one of the DC clamps formed by the common cathodes of the power thyristors is connected to the positive lining of the filter capacitor, through an additionally introduced thyristor included in the conducting direction - with the anode of the switching thyristor and through an additionally inserted diode included in the non-conducting direction - with the cathode of the switching thyristor, and the last anode is connected to another DC clamp formed by common anodes sludge thyristor and the cathode - to the negative plate of filter capacitor.

>

1112506 2