RU2109395C1 - Device for regulating three-phase voltage across intelligent power modules - Google Patents

Abstract

FIELD: three-phase voltage regulators for high-frequency pulse-width modulation of booster voltage. SUBSTANCE: regulator has three-phase transformer whose primary winding is connected to supply mains through three-phase reversible thyristor switch and secondary winding is inserted in load circuit. Switch is built around four three-phase intelligent modules and one turn-off thyristor. Two of mentioned modules are connected into three-phase switch circuit using bidirectional thyristors and two other ones, into thyristor rectifier bridge circuit shorted out by turn-off thyristor. Modules are turned on by current interruption in primary winding of three-phase transformer with aid of cut-off thyristor. Minimal quantity of cut-off thyristors provides for stepless regulation of load voltage within desired range of its high and low values relative to supply voltage. EFFECT: improved mass and size characteristics, simplified design and control algorithm, improved power characteristics and speed of response. 2 dwg

Description

Изобретение относится к энергетической электронике и предназначается для регулирования или стабилизации трехфазного напряжения. The invention relates to power electronics and is intended to regulate or stabilize a three-phase voltage.

Известно устройство для регулирования трехфазного напряжения [1], которое содержит в каждой фазе двухобмоточный трансформатор, дополнительный автотрансформатор и полупроводниковый коммутатор, состоящий из пяти полностью управляемых ключей с двухсторонней проводимостью. A device for regulating three-phase voltage [1], which contains in each phase a two-winding transformer, an additional autotransformer and a semiconductor switch, consisting of five fully controllable keys with two-sided conductivity, is known.

К недостаткам устройства следует отнести повышенную сложность и низкие массогабаритные показатели как трансформаторной части, выполненной на шести однофазных трансформаторах, так и полупроводниковой, выполненной на пятнадцати ключах переменного тока. The disadvantages of the device include the increased complexity and low overall dimensions of both the transformer part, made on six single-phase transformers, and the semiconductor, made on fifteen alternating current keys.

Известно также устройство для регулирования трехфазного напряжения [2], содержащее в каждой фазе вольтодобавочный трансформатор, дополнительный понижающий трансформатор и мостовой коммутатор, выполненный на четырех полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью, каждый из которых представляет собой, например, два встречно-параллельных запираемых тиристора или транзисторных ключа. It is also known a device for regulating three-phase voltage [2], containing in each phase a step-up transformer, an additional step-down transformer and a bridge switch made on four fully controlled keys with two-side conductivity, each of which is, for example, two counter-parallel lockable thyristors or transistor switch.

Однако и это устройство имеет повышенную сложность и низкие массогабаритные показатели вследствие применения в нем трех однофазных вольтодобавочных трансформаторов, трех однофазных дополнительных трансформаторов и двенадцати полностью управляемых ключей с двухсторонней проводимостью. However, this device also has increased complexity and low overall dimensions due to the use of three single-phase boost transformers, three single-phase additional transformers and twelve fully controlled keys with two-side conductivity.

Наиболее близким, по физической сущности к предлагаемому является устройство для регулирования трехфазного напряжения [3], которое содержит несколько трехфазных выпрямительных мостов, выход каждого из которых зашунтирован полностью управляемым ключом с односторонней проводимостью (прерывателем постоянного тока) и трехфазный вольтодобавочный многообмоточный трансформатор, вторичная обмотка которого включена между сетью и нагрузкой, одна из первичных обмоток включена между входами двух трехфазных выпрямительных мостов, а остальные первичные обмотки включены между входами дополнительных трехфазных выпрямительных мостов и выводами вторичных обмоток дополнительного трехфазного трансформатора. The closest in physical essence to the proposed one is a device for regulating a three-phase voltage [3], which contains several three-phase rectifier bridges, the output of each of which is shunted with a fully controllable key with one-sided conductivity (DC chopper) and a three-phase voltage-boosting multi-winding transformer, the secondary winding of which is connected between the network and the load, one of the primary windings is connected between the inputs of two three-phase rectifier bridges, and the rest ervichnye windings are connected between the inputs of the additional three-phase rectifier bridge and the terminal of the secondary windings of additional three-phase transformer.

К недостаткам прототипа также следует отнести повышенную сложность и низкие массогабаритные показатели как трансформаторного, так и полупроводникового оборудования. The disadvantages of the prototype should also include increased complexity and low overall dimensions of both transformer and semiconductor equipment.

Задачей изобретения является улучшение массогабаритных показателей и упрощение устройства. The objective of the invention is to improve overall dimensions and simplify the device.

В результате решения поставленной задачи достигается следующее:
количество полностью управляемых ключей, например, запираемых тиристоров снижено до минимума (до одного), что позволило упростить как силовую часть, так и систему управления устройства;
в результате выполнения коммутатора в основном на тиристорах с естественной коммутацией, половина из которых симметричные, появилась возможность объединить охладители тиристоров и за счет этого упростить конструкцию коммутатора с одновременным уменьшением его веса и габаритных размеров;
выполнение коммутатора в виде реверсивного моста на четырех трехфазных полупроводниковых ключах позволило применить в устройстве облегченный и упрощенный трансформатор.As a result of solving the problem, the following is achieved:
the number of fully controlled keys, for example, lockable thyristors, is reduced to a minimum (to one), which made it possible to simplify both the power part and the control system of the device;
as a result of the implementation of the switch mainly on thyristors with natural switching, half of which are symmetrical, it became possible to combine thyristor coolers and thereby simplify the switch design while reducing its weight and overall dimensions;
the design of the switch in the form of a reversible bridge on four three-phase semiconductor switches made it possible to use a lightweight and simplified transformer in the device.

Наилучшие результаты от использования данного изобретения следует ожидать при выполнении как симметричных тиристоров, так и выпрямительных мостов в модульном исполнении. Силовые интеллектуальные модули гальванически развязаны друг от друга и от охладителя. Это позволяет устанавливать модули на одном радиаторе, в качестве которого может быть использован корпус преобразователя, что также можно отнести к упрощению конструкции устройства и улучшению его массогабаритных показателей. Дополнительная полезность от использования изобретения, собственно возможность выполнения устройства на силовых интеллектуальных модулях, появилась в результате введения в устройство дополнительных элементов и новых связей. The best results from the use of this invention should be expected when performing both symmetric thyristors and rectifier bridges in a modular design. Power intelligent modules are galvanically isolated from each other and from the cooler. This allows you to install the modules on a single radiator, which can be used as a converter housing, which can also be attributed to simplifying the design of the device and improving its overall dimensions. Additional usefulness from the use of the invention, in fact, the ability to run the device on power intelligent modules, appeared as a result of introducing additional elements and new connections into the device.

Техническое решение поставленной задачи достигается за счет выполнения двух выпрямительных мостов на тиристорах и шунтирования этих мостов одним прерывателем постоянного тока, а также за счет введения шести симметричных тиристоров, каждый из которых включен между соответствующим фазным входом соответствующего выпрямительного моста и соответствующим им фазным выводом, предназначенным для подключения к сети или нагрузке и введения формирователя управляющих импульсов с частотой, большей, чем частота сети. The technical solution of this problem is achieved by performing two rectifier bridges on the thyristors and bypassing these bridges with one DC chopper, as well as by introducing six symmetric thyristors, each of which is connected between the corresponding phase input of the corresponding rectifier bridge and the corresponding phase output intended for connecting to the network or load and introducing the driver of the control pulses with a frequency greater than the frequency of the network.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы для двух режимов работы. In FIG. 1 shows a schematic diagram of a device; in FIG. 2 - time diagrams for two operating modes.

Устройство (фиг. 1) содержит четыре силовых интеллектуальных модуля 1 - 4, каждый из которых включает по шесть тиристоров с естественной коммутацией. Оно также содержит трехфазный трансформатор 5, тиристорный или транзисторный прерыватель 6 постоянного тока, высокочастотную систему управления 7, входные 8 и выходные 9 зажимы, предназначенные для подключения соответственно к сети и нагрузке. The device (Fig. 1) contains four power intelligent modules 1 to 4, each of which includes six thyristors with natural switching. It also contains a three-phase transformer 5, a thyristor or transistor DC chopper 6, a high-frequency control system 7, input 8 and output 9 terminals designed to connect respectively to the network and the load.

Элементы устройства соединены следующим образом. The elements of the device are connected as follows.

Каждый из модулей 1 и 2 соединен по схеме трехфазного ключа на симметричных тиристорах, образуя шесть вновь введенных симметричных тиристоров, а каждый из двух других модулей 3 и 4 - по схеме трехфазного выпрямительного моста. Входные зажимы модулей 1 и 4 пофазно объединены и подключены к концам соответствующих фазных первичных обмоток трансформатора 5, входные зажимы модулей 2 и 3 пофазно объединены и подключены к началам соответствующих фазных первичных обмоток трансформатора 5, выходные зажимы модулей 1 и 2 пофазно объединены и подключены к соответствующим фазам входных 8 или выходных 9 выводов устройства, между которыми включены соответствующие фазные вторичные обмотки трансформатора 5, а выходные зажимы трехфазных выпрямительных мостов, выполненных в виде модулей 3 и 4, объединены и зашунтированы прерывателем 6 постоянного тока, выполненным на запираемом тиристоре или транзисторном ключе. При использовании устройства в качестве регулятора полупроводниковый коммутатор целесообразно подключить к входным выводам 8, а в качестве стабилизатора - к выходным выводам 9. На фиг. 1 эти соединения показаны соответственно сплошными и пунктирными линиями. Each of modules 1 and 2 is connected according to the scheme of a three-phase switch on symmetric thyristors, forming six newly introduced symmetric thyristors, and each of the other two modules 3 and 4 is connected according to the scheme of a three-phase rectifier bridge. The input terminals of modules 1 and 4 are phase-wise connected and connected to the ends of the corresponding phase primary windings of transformer 5, the input terminals of modules 2 and 3 are phase-wise connected and connected to the beginnings of the corresponding phase primary windings of transformer 5, the output terminals of modules 1 and 2 are phase-wise connected and connected to the corresponding phases of the input 8 or output 9 terminals of the device, between which the corresponding phase secondary windings of the transformer 5 are connected, and the output terminals of three-phase rectifier bridges made in the form of m modules 3 and 4, combined and shunted by a DC chopper 6, made on a lockable thyristor or transistor key. When using the device as a controller, it is advisable to connect the semiconductor switch to the input terminals 8, and as a stabilizer to the output terminals 9. In FIG. 1, these compounds are shown by solid and dashed lines, respectively.

Устройство (фиг. 1) в соответствии с предложенным алгоритмом управления (фиг. 2) работает следующим образом. The device (Fig. 1) in accordance with the proposed control algorithm (Fig. 2) works as follows.

При включении трехфазных тиристорных ключей с естественной коммутацией (модулей) 2 и 4, 1 и 3, 3 и 4 совместно с прерывателем 6 постоянного тока устройство соответственно работает в режимах вольтодобавки, вольтовычета и в режиме закорачивания первичной обмотки трансформатора 5. Перевод устройства из одного режима в другой производиться переключением соответствующих пар модулей с участием прерывателя 6, при помощи которого прерывается ток в первичной обмотке трансформатора 5 на время необходимое для восстановления запирающих свойств тиристоров предыдущей пары модулей с учетом времени включения тиристоров последующей пары модулей. When you turn on the three-phase thyristor switches with natural switching (modules) 2 and 4, 1 and 3, 3 and 4 in conjunction with a DC circuit breaker 6, the device accordingly operates in the voltage boost mode, voltage isolation mode and in the short-circuiting mode of the primary winding of the transformer 5. Transferring the device from one mode in another, by switching the corresponding pairs of modules with the participation of a chopper 6, with which the current in the primary winding of the transformer 5 is interrupted for the time necessary to restore the locking properties of the thyristor moat previous module pair with the time of thyristors subsequent module pair.

При шунтировании первичной обмотки трансформатора 5 тиристорными выпрямительными мостами (модулями) 3, 4 и прерывателем 6 напряжение U₂ на выходных выводах 9 устройства равно напряжению U₁ на входных выводах 8. Регулирование выходного напряжения U₂ вверх (фиг.2,а) или вниз (фиг.2,6) производиться чередованием режима закорачивания первичной обмотки трансформатора 5 соответственно с режимом вольтодобавки или режимом вольтовычета с частотой коммутации f_k, не меньшей, чем удвоенная частота сети, и изменением длительности шунтирования первичной обмотки трансформатора 5 внутри периода коммутации

в соответствии с выражением

где
U₁, U₂ - действующие значения напряжений сети и нагрузки;
k_т - коэффициент трансформации, знаки "+" и "-" перед которым соответственно относятся к режимам вольтодобавки и вольтовычета;
t_к - продолжительность шунтирования первичной обмотки трансформатора внутри периода коммутации T_к.When shunting the primary winding of the transformer 5 with thyristor rectifier bridges (modules) 3, 4 and a chopper 6, the voltage U ₂ at the output terminals 9 of the device is equal to the voltage U ₁ at the input terminals 8. Regulation of the output voltage U ₂ up (figure 2, a) or down (Fig. 2,6) is carried out by alternating the short-circuiting mode of the primary winding of the transformer 5, respectively, with the voltage boost mode or the voltage mode with the switching frequency f _k no less than twice the network frequency, and changing the duration of the primary shunt coils of transformer 5 inside the switching period

according to the expression

Where
U ₁ , U ₂ - the current values of the network voltage and load;
k _t is the transformation coefficient, the signs "+" and "-" in front of which respectively refer to the modes of voltage boost and voltage calculation;
t _to - the duration of the shunt of the primary winding of the transformer inside the switching period T _to .

Из выражения (1) следует, что при изменении t_к от 0 до T_к выходное напряжение U₂ регулируется от U₁ до (1+k_т)U₁4 вверх или до (1-k_т)U₁ вниз в зависимости от того, какая из пар перекрестных модулей 2 с 4 или 1 с 3 соответственно переключается с парой модулей 3 и 4 смежных плеч мостового коммутатора.From the expression (1) it follows that when t _k changes from 0 to T _{k, the} output voltage U _{2 is} regulated from U ₁ to (1 + k _t ) U ₁ 4 up or to (1-k _t ) U ₁ down depending on one of the pairs of cross modules 2 with 4 or 1 with 3, respectively, switches with a pair of modules 3 and 4 of adjacent shoulders of the bridge switch.

Алгоритм переключения тиристоров трехфазных ключей мостового коммутатора в модульном исполнении может быть реализован в результате сравнения напряжения управления U_у с двумя одинаковыми по амплитуде треугольными опорными напряжениями U_оп1 и U_оп2 (см. фиг.2,а-б), одно из которых сдвинуто вверх, а другое - вниз на величину, превышающую амплитудное значение этих опорных напряжений относительно нуля, создавая зону нечувствительности устройства на сигнал управления. На фиг. 2 зона нечувствительности заштрихована. Ее ширина незначительна и не превышает величины, при которой отклонение выходного напряжения выходит за пределы заданной точности регулирования. При малых значениях U_у, лежащих в зоне нечувствительности (в области нуля), устройство работает в промежуточном режиме, в котором включены только тиристорные выпрямительные мосты (модули) 3, 4 и прерыватель 6 постоянного тока (запираемый тиристор). При плавном увеличении U_у в положительную сторону (фиг.2, а) устройство переходит в режим вольтодобавки, а в отрицательную (фиг.2, б) - в режим вольтовычета.The thyristor switching algorithm of the three-phase keys of the bridge switch in a modular design can be implemented by comparing the control voltage U _y with two triangular reference voltages U _op1 and U _op2 identical in amplitude (see Fig. 2, a-b), one of which is shifted up and the other downward by an amount exceeding the amplitude value of these reference voltages relative to zero, creating a deadband of the device for the control signal. In FIG. 2 dead zone is hatched. Its width is insignificant and does not exceed the value at which the deviation of the output voltage goes beyond the specified control accuracy. For small values of U _у lying in the dead zone (in the zero region), the device operates in an intermediate mode, in which only thyristor rectifier bridges (modules) 3, 4 and a DC chopper 6 (lockable thyristor) are turned on. With a smooth increase in U _y in the positive direction (Fig.2, a), the device switches to the voltage boost mode, and in the negative (Fig.2, b) - to the voltage mode.

Предлагаемое устройство как более совершенное, выполненное с минимальным количеством запираемых тиристоров и имеющее возможность исполнения на силовых интеллектуальных модулях, может заменить известные регуляторы трехфазного напряжения. Наиболее целесообразной областью применения являются промэнергоблоки мощностью 100-1000 кВА. The proposed device as more advanced, made with a minimum number of lockable thyristors and having the ability to run on power intelligent modules, can replace the well-known three-phase voltage regulators. The most appropriate area of application is promenergoblocks with a capacity of 100-1000 kVA.

Источники информации
1. Патент США N 3732485, кл. G 05 F 1/24, 1973.Sources of information
1. US patent N 3732485, CL. G 05 F 1/24, 1973.

2. Заявка Японии N 63-36004, кл. G 05 F 1/24, 1968. 2. Japanese application N 63-36004, cl. G 05 F 1/24, 1968.

3. Трансформаторно-ключевые исполнительные структуры преобразователей переменного напряжения / Липковский К. А. - Киев: Наук. думка, 1983, 216с. (см. с.163, рис. 71) - прототип. 3. Transformer-key executive structures of AC voltage converters / K. Lipkovsky - Kiev: Science. Dumka, 1983, 216s. (see p.163, Fig. 71) - a prototype.

Claims (1)

Устройство для регулирования трехфазного напряжения на силовых интеллектуальных модулях, содержащее трехфазный трансформатор с вторичными фазными обмотками, включенными между соответствующими фазами сети и нагрузки и с первичными фазными обмотками, включенными между соответствующими фазными входами двух трехфазных выпрямительных мостов, один из которых шунтирован прерывателем постоянного тока, отличающееся тем, что в него введены шесть симметричных тиристоров, каждый из которых включен между соответствующим фазным входом соответствующего выпрямительного моста и соответствующим ему фазным выводом, предназначенным для подключения к сети или нагрузке, и формирователь управляющих импульсов с частотой, большей частоты сети, оба трехфазных выпрямительных моста выполнены на тиристорах и соединены между собой выходными однополярными зажимами. A device for regulating a three-phase voltage on power intelligent modules, comprising a three-phase transformer with secondary phase windings connected between the corresponding phases of the network and the load and with primary phase windings connected between the corresponding phase inputs of two three-phase rectifier bridges, one of which is shunted by a DC chopper, characterized the fact that six symmetric thyristors are introduced into it, each of which is connected between the corresponding phase input rectifier bridge and its corresponding phase output, intended for connection to the network or the load, and a driver of control pulses with a frequency higher than the network frequency, both three-phase rectifier bridges are made on thyristors and are interconnected by output unipolar clamps.

Images