RU2261518C1

RU2261518C1 - Three-phase-ac-to-dc voltage converter using smooth current regulation for exciting synchronous machines

Info

Publication number: RU2261518C1
Application number: RU2003135237/09A
Authority: RU
Inventors: Л.Г. Кощеев (RU); Л.Г. Кощеев; А.А. Патрик (RU); А.А. Патрик
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Уралэнергоцветмет"
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2003-12-03
Publication date: 2005-09-27
Also published as: RU2003135237A

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: proposed converter designed to supply with power field windings of medium- and heavy-power synchronous machines from 380 V, 50 Hz three-phase supply mains has ac voltage rectifier, off-line voltage inverter built around inverse diodes, power transformer provided with primary winding as well as with first and second coils of secondary winding, high-frequency rectifier using bridge circuit arrangement, driver incorporating electrical isolation device that functions to generate rectangular-waveform current pulses of desired frequency and length varied depending on output parameter, and LC filter of ac voltage component across inverter input. Novelty is that newly introduced in converter are thyristor semi-bridge whose common lead is connected to transformer secondary winding coil, anode and cathode, to like-polarity leads of high-frequency rectifier, and control junctions of semi-bridge thyristors are coupled with additional leads of driver affording generation of additional control signal to switch converter over to field current boosting mode.

EFFECT: reduced power loss, size, and mass.

1 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для питания обмоток возбуждения синхронных машин средней и большой мощности от сети переменного трехфазного напряжения 380 В 50 Гц.The present invention relates to the field of electrical engineering and can be used to power the field windings of synchronous machines of medium and high power from a three-phase alternating voltage network of 380 V 50 Hz.

В настоящее время широко известны тиристорные возбудители синхронных машин, обеспечивающие питание их обмоток возбуждения от трехфазной сети промышленного предприятия, содержащие трехфазный выпрямитель с силовым трансформатором (Баракшин В.Н., Статические возбудители для синхронных приводов/Промышленная энергетика, 2003, №3, ГОСТ 24688-81. Возбудители статические полупроводниковые для синхронных двигателей. Технические условия).Currently, thyristor exciters of synchronous machines are widely known, providing power to their field windings from a three-phase network of an industrial enterprise, containing a three-phase rectifier with a power transformer (Barakshin V.N., Static exciters for synchronous drives / Industrial Energy, 2003, No. 3, GOST 24688 -81. Static semiconductor pathogens for synchronous motors. Technical conditions).

Недостатком таких преобразователей являются их значительные масса и габариты. Так, например, возбудитель на ток 320 А и напряжение 115 В имеет массу 580 кг и габариты 980×1060×620 мм.The disadvantage of such converters is their significant mass and dimensions. So, for example, the exciter for a current of 320 A and a voltage of 115 V has a mass of 580 kg and dimensions of 980 × 1060 × 620 mm.

Большие массогабаритные показатели возбудителей в значительной степени обусловлены необходимостью выполнения требования по форсировке тока возбуждения.The large weight and size indicators of pathogens are largely due to the need to fulfill the requirement to force the excitation current.

Согласно ГОСТ 24688-81 возбудители статические полупроводниковые для трехфазных синхронных двигателей должны обеспечивать форсировку возбуждения кратностью не менее 1,4 от номинального тока возбуждения при пониженном до 0,8 от номинального напряжения питания, или 1,75 номинального тока возбуждения при номинальном напряжении питания. Указанное требование ГОСТа обуславливает двукратное увеличение потребляемой преобразователем мощности. Это обстоятельство значительно усложняет режим работы преобразователя и снижает эффективность его использования.According to GOST 24688-81, static semiconductor exciters for three-phase synchronous motors must ensure that the excitation is increased by a factor of at least 1.4 of the rated excitation current when the voltage is reduced to 0.8 from the rated supply voltage, or 1.75 of the rated excitation current at the rated supply voltage. The specified GOST requirement causes a twofold increase in the power consumed by the converter. This circumstance significantly complicates the operation mode of the converter and reduces the efficiency of its use.

Возможным путем существенного уменьшения массогабаритных показателей возбудителей является выполнение их на основе преобразователей с промежуточным звеном высокой частоты. При этом для выполнения требования по обеспечению форсированного режима преобразователь должен обеспечивать широкий диапазон регулирования выходных параметров и экономичный режим с малыми потерями в длительном «зарегулированном» режиме.A possible way to significantly reduce the overall dimensions of pathogens is to perform them on the basis of converters with an intermediate link of high frequency. At the same time, in order to fulfill the requirement to ensure forced operation, the converter must provide a wide range of regulation of the output parameters and an economical mode with low losses in a long “regulated” mode.

Наиболее близким по техническому решению поставленной задачи при создании источника питания для возбуждения синхронных электрических машин является полупроводниковый преобразователь постоянного напряжения в постоянное инверторного типа, выполненный на биполярных транзисторах с изолированным затвором, обеспечивающий высокую частоту инвертирования (Вейс М.Э., Голубенко Ю.И., Куксанов Н.К. и др. Создание серии IGBT преобразователей частоты трансформаторного типа для питания промышленных ускорителей электронов. «Электротехника, 2001, №12, с.21-23).The closest technical solution to the problem when creating a power source for the excitation of synchronous electric machines is a semiconductor DC-DC converter of inverter type, made on bipolar transistors with an insulated gate, providing a high frequency of inversion (Weiss M.E., Golubenko Yu.I. , Kuksanov NK and others. Creation of a series of IGBT transformers of frequency transformer type for powering industrial electron accelerators. "Electrotechnics, 2001, No. 12, p. .21-23).

Технической задачей изобретения является разработка средств, обеспечивающих перевод преобразователя в режим форсировки тока на выходе при сохранении максимально возможной длительности импульсов напряжения в номинальном (нефорсированном) режиме, что приводит к уменьшению потери электроэнергии и снижению массогабаритных показателей.An object of the invention is the development of tools for transferring the converter to the mode of boosting the current at the output while maintaining the maximum possible duration of voltage pulses in the nominal (unforced) mode, which leads to a decrease in energy loss and a reduction in overall dimensions.

Решение поставленной задачи достигается тем, что полупроводниковый преобразователь, содержащий выпрямитель переменного напряжения, автономный инвертор напряжения, выполненный на транзисторах с диодами встречной проводимости, силовой трансформатор, имеющий первичную обмотку и первую и вторую секции вторичной, выпрямитель высокой частоты, выполненный по мостовой схеме, драйвер с устройством гальванической развязки, формирующий импульсы тока прямоугольной формы заданной частоты и длительности, изменяемой в зависимости от величины выходного параметра, LC фильтр переменной составляющей напряжения на входе инвертора, дополнен тиристорным полумостом, общий вывод которого соединен с секцией вторичной обмотки трансформатора, анод и катод которой подключены к одноименным выводам выпрямителя высокой частоты, а управляющие переходы тиристоров полумоста связаны с дополнительными выводами драйвера, обеспечивающего формирование дополнительного сигнала управления для перевода преобразователя в режим форсировки тока возбуждения.The solution to this problem is achieved by the fact that a semiconductor converter containing an alternating voltage rectifier, an autonomous voltage inverter made on transistors with counter-conductivity diodes, a power transformer having a primary winding and a first and second secondary section, a high-frequency rectifier made according to a bridge circuit, a driver with a galvanic isolation device that generates rectangular current pulses of a given frequency and duration, which varies depending on the value of of the input parameter, the LC filter of the variable component of the voltage at the input of the inverter is supplemented by a thyristor half-bridge, the common output of which is connected to the secondary section of the transformer, the anode and cathode of which are connected to the same terminals of the high-frequency rectifier, and the control transitions of the thyristors of the half-bridge are connected with additional conclusions of the driver, which provides formation of an additional control signal for transferring the converter to the mode of boosting the excitation current.

На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого преобразователя,Figure 1 shows a schematic diagram of the proposed Converter,

на фиг.2 и 3 - временные диаграммы, иллюстрирующие его работу в устанавливающемся режиме и форсировки тока на выходе.figure 2 and 3 are timing diagrams illustrating its operation in steady state and forcing the current at the output.

Преобразователь переменного трехфазного напряжения в постоянное для возбуждения синхронных машин средней и большой мощности (фиг.1) содержит выпрямитель переменного напряжения, выполненный на диодах 1, 2, 3, 4, 5, 6 по трехфазной мостовой схеме, автономный инвертор постоянного напряжения, выполненный на биполярных транзисторах 7, 8, 9, 10 с изолированными затвороми, и диодами 11, 12, 13, 14 встречной проводимости. При этом на входе инвертора напряжения подключен LC фильтр переменной составляющей напряжения, включающий реактор 15 и конденсатор 16. В состав преобразователя входит выпрямитель высокой частоты, выполненный на диодах 17-20 по мостовой схеме с дополнительными тиристорами 21, 22, силовой трансформатор 23 и драйвер 24 с устройством гальванической развязки сигналов управления (на схеме не показано). Первичная обмотка трансформатора соединена с выводами выхода инвертора, а его вторичная обмотка - с входом выпрямителя высокой частоты и через дополнительные тиристоры 21, 22 с его выходными выводами. При этом управляющие переходы тиристоров и затворы транзисторов инвертора через устройства гальванической развязки связаны с выходами драйвера 24, обеспечивающего работу преобразователя в заданном алгоритме. Перевод преобразователя в режим форсировки тока на выходе обеспечивается дополнительным сигналом, формируемым драйвером. При отпирании тиристоров 21, 22 обеспечивается подключение дополнительной секции вторичной обмотки трансформатора в цепь выпрямителя высокой частоты.The AC three-phase voltage to DC Converter for exciting synchronous machines of medium and high power (figure 1) contains an AC voltage rectifier made on diodes 1, 2, 3, 4, 5, 6 according to a three-phase bridge circuit, an autonomous DC voltage inverter made on bipolar transistors 7, 8, 9, 10 with insulated gate, and counter conductivity diodes 11, 12, 13, 14. At the same time, at the input of the voltage inverter, an LC filter of a variable voltage component is connected, including a reactor 15 and a capacitor 16. The converter includes a high-frequency rectifier made on diodes 17-20 according to a bridge circuit with additional thyristors 21, 22, a power transformer 23, and a driver 24 with galvanic isolation of control signals (not shown in the diagram). The primary winding of the transformer is connected to the output terminals of the inverter, and its secondary winding is connected to the input of the high-frequency rectifier and through additional thyristors 21, 22 with its output terminals. At the same time, the control transitions of the thyristors and the gates of the inverter transistors through galvanic isolation devices are connected to the outputs of the driver 24, which ensures the operation of the converter in a given algorithm. The transfer of the converter to the mode of boosting the current at the output is provided by an additional signal generated by the driver. When unlocking the thyristors 21, 22, an additional section of the secondary winding of the transformer is connected to the high-frequency rectifier circuit.

Система возбуждения 25 синхронной машины подключена к выводам выхода выпрямителя высокой частоты, выполненного на диодах 17 18, 19, 20.The excitation system 25 of the synchronous machine is connected to the output terminals of the high-frequency rectifier, made on the diodes 17 18, 19, 20.

В исходном состоянии напряжение на затворах транзисторов 7, 8, 9 и 10 равно 0 и напряжение на выходе автономного инвертора отсутствует.In the initial state, the voltage at the gates of the transistors 7, 8, 9 and 10 is 0 and there is no voltage at the output of the autonomous inverter.

В момент времени t₁ (фиг.2) на вход запрета драйвера 24 поступает сигнал «лог.0», и он начинает работать, обеспечивая формирование импульсов тока i_y1, i_y2 прямоугольной формы. В процессе работы драйвера происходит поочередное отпирание транзисторов 7, 8 и 9, 10. В результате этого на выходе инвертора формируются импульсы напряжения U_вых. При этом на выходе выпрямителя на диодах 17, 18, 19, 20 имеют место импульсы напряжения U_d прямоугольной формы, частотой в 2 раза большей частоты инвертирования. Поскольку нагрузка на выходе преобразователя имеет индуктивный характер, ток через обмотку возбуждения имеет незначительные пульсации. С появлением сигнала ("лог.1", фиг.3) форсировки тока возбуждения на выходе драйвера 24 формируются импульсы тока управления i_y0, которые через устройство гальванической развязки поступают в цепи управляющих переходов тиристоров 21, 22, отпирание которых обеспечивает резкое увеличение амплитуды импульсов напряжения U_d на выходе выпрямителя высокой частоты и возрастание тока i_в в цепи системы возбуждения 25. При этом в переходном процессе увеличения тока форсировки возбуждения сохраняется действие широтно-импульсной модуляции напряжения на выходе автономного инвертора.At time t ₁ (Fig. 2), the “log.0” signal is input to the driver inhibit input 24, and it starts to work, providing the formation of rectangular current pulses i _y1 , i _y2 . During the operation of the driver, the transistors 7, 8 and 9, 10 are turned on one by one. As a result of this, voltage pulses U _o are generated at the inverter _output . Moreover, at the rectifier output, diodes 17, 18, 19, 20 have voltage pulses of rectangular shape U _d , with a frequency of 2 times the inversion frequency. Since the load at the converter output is inductive, the current through the field winding has insignificant ripples. With the appearance of the signal ("log.1", Fig. 3), the excitation current is amplified at the output of driver 24, control current pulses i _{y0 are formed} , which through the galvanic isolation device enter the control transition circuits of thyristors 21, 22, the unlocking of which provides a sharp increase in the pulse amplitude voltage U _d at the output of the high-frequency rectifier and an increase in current i _in the excitation system circuit 25. In this case, in the transient process of increasing the excitation forcing current, the action of pulse-width modulation of voltage at output autonomous inverter.

В результате предварительной конструктивной проработки преобразователя для питания обмоток возбуждения при токе в длительном режиме 320 А и режиме форсировки 440 А длительностью 60 с при потребляемой мощности 42 кВт установлено, что масса активных материалов на изготовление реактора фильтра на входе инвертора и трансформатора не превышает 15 кг и полупроводниковых приборов с охладителями 17 кг. Общая масса преобразователя не превышает 35 кг и составляет около 6% от массы используемых в настоящее время тиристорных возбудителей.As a result of preliminary design study of the converter for supplying the field windings at a current in continuous mode of 320 A and forcing mode of 440 A for a duration of 60 s at a power consumption of 42 kW, it was found that the mass of active materials for manufacturing the filter reactor at the inverter and transformer input does not exceed 15 kg and semiconductor devices with coolers 17 kg. The total mass of the converter does not exceed 35 kg and is about 6% of the mass of the thyristor pathogens currently used.

Эффективность предлагаемого решения поставленной задачи обеспечивается возможностью перевода возбудителя в режим форсировки тока на выходе и уменьшением мощности потерь энергии в кремниевых структурах транзисторов инвертора в 1,3 раза, что существенно улучшает их режим работы.The effectiveness of the proposed solution to the problem is provided by the possibility of transferring the pathogen to the mode of boosting the current at the output and reducing the power of energy losses in the silicon structures of the inverter transistors by 1.3 times, which significantly improves their operating mode.

Claims

A three-phase AC to DC converter with stepless regulation of current for exciting medium and high power synchronous machines, comprising a three-phase AC voltage rectifier, an autonomous DC inverter with an LC filter of variable component at the input, made on transistors with counter conductivity diodes, a power transformer having a primary a winding connected to the output terminals of the specified inverter, and a secondary winding including a primary and secondary section, with unified with the inputs of the input of the high-frequency rectifier, made according to the diode bridge circuit, and the driver with the galvanic isolation device, which generates rectangular current pulses of the given frequency, characterized in that it is supplemented by a half-bridge on additional thyristors, the general output of which is connected to the extreme terminal of the additional section secondary winding of the power transformer, which is connected through additional thyristors of the half-bridge to the output terminals of the high-frequency rectifier, to which the systems are connected and the excitation of the synchronous machine, while the control transitions of the additional thyristors and the gates of the transistors of the DC inverter through the corresponding galvanic isolation devices are connected to the corresponding outputs of the driver, which provides the formation of an additional control signal for putting the converter into the mode of boosting the excitation current by connecting an additional section of the secondary winding of the power transformer to high frequency rectifier circuit when unlocking additional dashes tors.