RU2210166C1

RU2210166C1 - Method for switching currents in circuits of reversible converters built around gate- controlled diodes

Info

Publication number: RU2210166C1
Application number: RU2002101363/09A
Authority: RU
Inventors: С.Н. Сидоров
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2003-08-10

Abstract

FIELD: electrical engineering; stepless current switching in two-set converters. SUBSTANCE: method intended for current switching in two-set pulse-phase or pulse-width controlled converters jointly with controlling diode sets preventing flow of equalizing currents involves switching in two steps under action of voltage across plates of polar damping capacitor operating in double-ended energy exchange mode with inductive components of switching circuit. In order to prevent probable capacitor recharge delivery of control pulses to diodes of phase driven in operation in both sets is proposed to be delayed during first switching step. EFFECT: enhanced reliability due to preventing circuit capacitor discharge and recharge. 1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть применено для плавного проведения коммутаций тока при ограниченном уровне коммутационных перенапряжений в схемах двухкомплектных реверсивных преобразователей, выполняемых на новой элементной базе в виде двухоперационных тиристоров или транзисторных модулей. The invention relates to a conversion technique and can be used to smoothly conduct current switching with a limited level of switching overvoltages in circuits of two-set reverse converters, performed on a new element base in the form of two-operation thyristors or transistor modules.

Прерывание тока, сопровождающее коммутации двухоперационных вентилей в схемах непосредственных преобразователей, ввиду наличия в цепях коммутации согласующих индуктивных элементов: анодных реакторов, трансформаторов, а также самой сети, ведет к появлению значительных коммутационных перенапряжений. Защита от этих перенапряжений традиционными средствами на основе RC- или С_ф-цепей с разрядными резисторами снижает кпд преобразователя на несколько процентов и потому в большинстве случаев неэффективна. Более предпочтительными могут быть способы плавной коммутации тока с помощью демпфирующих полярных, например электролитических, конденсаторов, накапливание заряда в которых устраняется переводом в режим двухстороннего обмена энергией с индуктивными элементами преобразователя и сети (см. а.с. 607320, 610284, 855930, 143018).The current interruption accompanying the switching of two-stage valves in direct converter circuits, due to the presence of matching inductive elements in the switching circuits: anode reactors, transformers, and also the network itself, leads to the appearance of significant switching overvoltages. Protection against these overvoltages by traditional means based on RC or C _ph chains with discharge resistors reduces the efficiency of the converter by several percent and therefore, in most cases, is ineffective. More preferred may be methods of smooth switching of the current using damping polar, for example electrolytic, capacitors, the accumulation of charge in which is eliminated by switching to a two-way energy exchange mode with inductive elements of the converter and the network (see AS 607320, 610284, 855930, 143018) .

Известно наиболее близкое техническое решение, состоящее в том, что на первом этапе каждой коммутации предварительно заряженный конденсатор подключают с помощью коммутирующих вентилей в параллель вентилю вступающей в работу фазы или цепи нагрузки с полярностью напряжения на обкладках, способствующей переводу тока в цепь конденсатора и уменьшению тока выключаемого вентиля выходящей из работы фазы. На данном этапе происходит частичный разряд конденсатора с передачей его энергии индуктивным элементам вступающей в работу фазы. На втором этапе коммутации указанный конденсатор переключают таким образом, чтобы полярность напряжения на его обкладках была встречной по отношению к току выходящей из работы фазы. На данном этапе конденсатор вновь заряжается до исходного уровня, получая энергию указанной фазы, при этом процесс заряда продолжается до момента достижения током выключаемой фазы нулевого уровня, после чего конденсатор естественным образом выключается и сохраняет свой заряд до начала следующей коммутации (см. А.С. 1580505, опубл. Б.И. 27, 1990 г.). The closest technical solution is known, consisting in the fact that at the first stage of each switching, a pre-charged capacitor is connected with the help of switching valves in parallel to the valve of the phase or load circuit that comes into operation with voltage polarity on the plates, which helps to transfer the current to the capacitor circuit and reduce the current switched off valve out of phase operation. At this stage, a partial discharge of the capacitor occurs with the transfer of its energy to the inductive elements of the phase that enters the work. At the second stage of switching, the indicated capacitor is switched so that the polarity of the voltage on its plates is counter-current with respect to the current of the outgoing phase. At this stage, the capacitor is again charged to the initial level, receiving the energy of the specified phase, while the charge process continues until the current reaches the zero phase to be switched off, after which the capacitor naturally turns off and retains its charge until the next switching starts (see A.S. 1580505, publ. B.I. 27, 1990).

Достоинство данного способа проведения коммутаций в том, что ее начало не требует прерывания полного тока нагрузки двухоперационными вентилями, соответственно имеет место уменьшение их токовой нагрузки в переходных режимах, а также уменьшение времени выключения и коммутационных потерь. Требованиям электромагнитной совместимости с питающей сетью отвечает плавный характер изменения фазных токов, происходящий под воздействием разности напряжений на обкладках конденсатора и ЭДС сетевых фаз. Чередование заряда конденсатора с последующим разрядом в течение каждой коммутации исключает постепенное накапливание напряжения на обкладках, поэтому данный элемент совмещает сразу несколько функций, основными из которых являются защита преобразователя от перенапряжений и демпфирование тока выключаемых фаз. The advantage of this method of carrying out switching is that its beginning does not require interruption of the total load current by two-stage valves, respectively, there is a decrease in their current load in transient modes, as well as a decrease in turn-off time and switching losses. The requirements of electromagnetic compatibility with the supply network are met by the smooth nature of the change in phase currents that occurs under the influence of the voltage difference across the capacitor plates and the EMF of the network phases. The alternation of the capacitor charge with subsequent discharge during each switching eliminates the gradual accumulation of voltage on the plates, therefore this element combines several functions at once, the main of which are the protection of the converter from overvoltage and damping of the current of the switched off phases.

Однако реализация данного способа получила апробацию пока лишь в нереверсивных схемах. Применение данного способа в двухкомплектных реверсивных схемах с совместным управлением вентильными комплектами встречает затруднения, так как приводит к недопустимому для электролитических конденсаторов перезаряду напряжения на его обкладках. Причина связана с тем, что совместное управление комплектами двухоперационных вентилей осуществляется одновременной подачей управляющих импульсов на очередные вентили вступающей в работу фазы в составе обоих вентильных комплектов (см. А.С. 2173929, опубл. Б. И. 26, 2001 г.). Такое управление вентильными комплектами является предпочтительным, так как исключает любую возможность появления уравнительного тока, а при условии подачи "широких" управляющих импульсов также и режима прерывистых токов нагрузки. Вместе с тем, в рассматриваемых схемах подобное управление может образовывать цепи замыкания конденсатора. Для недопущения возможного разряда, а затем и перезаряда конденсатора предлагается задерживать подачу управляющих импульсов на вентили обоих комплектов вступающих в работу фаз на время первого этапа коммутации, а в начале второго этапа запирать вентили выходящих из работы фаз проводящего ток комплекта и подавать управляющие импульсы на очередные противофазные вентили, подключенные к одной фазе сети в составе разных вентильных комплектов. However, the implementation of this method has been tested so far only in non-reversible schemes. The application of this method in two-set reverse circuits with joint control of valve sets meets difficulties, as it leads to an unacceptable overcharge of voltage on its plates for electrolytic capacitors. The reason is that the joint control of sets of two-stage valves is carried out by simultaneously supplying control pulses to the next valves of the phase that enters the operation as part of both valve sets (see A.S. 2173929, publ. B.I. 26, 2001). Such control of valve manifolds is preferable, since it excludes any possibility of an equalizing current occurring, and if the “wide” control pulses are supplied, the mode of intermittent load currents is also provided. At the same time, in the considered circuits, such control can form capacitor short-circuit circuits. To prevent a possible discharge, and then overcharging of the capacitor, it is proposed to delay the supply of control pulses to the valves of both sets of phases that come into operation during the first stage of switching, and at the beginning of the second stage, close the valves of the phases of the current-conducting set that go out of operation and apply control pulses to the next out-of-phase valves connected to one phase of the network as part of different valve sets.

На фиг.1, 4 представлены примеры выполнения реверсивных преобразователей на двухоперационных вентилях, в которых возможно применить обсуждаемый способ, а на фиг.2, 3 - их схемы замещения. Реализация способа рассматривается на примере реверсивных преобразователей, выполненных по 3-фазной встречно-параллельной двухмостовой схеме выпрямления. Применение в данных схемах двухоперационных вентилей создает предпосылки для улучшения энергетических и динамических показателей, позволяя регулировать выходное напряжение всеми известными методами, при условии соответствующего изменения конструкции коммутирующих цепей. Так, например, в схеме фиг.1 такое регулирование возможно импульсно-фазовым методом. Данное устройство содержит двухоперационные вентили 1-6 в составе первого вентильного комплекта и вентили 7-12 в составе второго комплекта. Коммутирующие вентили 13-16 вместе с демпфирующими конденсаторами 17, 18 и диодными мостами 20, 21 образуют цепи для проведения плавных коммутаций. При этом вентили 15, 16, мост 21 и конденсатор 18 служат для проведения коммутаций в вентильных группах первого моста, а вентили 13, 14, диодный мост 20 и конденсатор 17 - в вентильных группах второго моста. Предположим, что на внекоммутационном промежутке времени управляющие импульсы, согласно указанному способу совместного согласованного управления, поступают на вентили 1, 2 в составе первого моста с углами управления α₁ = π/2 и противопараллельные вентили 7, 8 второго моста с углами управления α₂ = π/2. В результате появления на выходе преобразователя напряжения соответствующей полярности ток протекает через вентили 1, 2 первого комплекта и цепь нагрузки 19. Полагается, что демпфирующие конденсаторы 17, 18 заряжены с помощью диодных мостов 20, 21 и потому находятся в выключенном состоянии. Для проведения коммутации тока из фазы а с вентилем 1 в фазу b с вентилем 3 следует подготовить к включению очередные вентили вступающей в работу фазы 3, 9 и для начала первого этапа коммутации включить вентиль 12 с последовательно соединенными коммутирующими вентилями 15, 16. Как видно из схемы замещения фиг.2, это приведет к началу коммутации, так как суммарное напряжение конденсатора и ЭДС вступающей в работу фазы в любом случае будет превышать ЭДС выходящей из работы фазы. При этом ток одной из коммутирующих фаз будет замыкаться по цепи с элементами: фаза а, 1, 19, 2, фаза c, а ток другой фазы по цепи: фаза b, 12, 16, 18, 15, 19, 2, фаза c. Однако наличие короткозамкнутой цепи с вентилями 9, 12 может повлечь разряд конденсатора, а в дальнейшем и его перезаряд. Для устранения этой возможности предлагается задержать на время первого этапа подачу отпирающих импульсов на очередные вентили 3, 9 вступающей в работу фазы. Данное решение оказывается наиболее простым и, тем не менее, корректным, не приводящим к прерыванию тока нагрузки в случае изменения его направления, так как для его протекания будет подготовлена цепь с элементами 19, 7, фаза а, фаза с, 8. Последующее выключение вентилей выходящей из работы фазы 1, 7, а также вентилей 12, 15, 16 с подачей задержанных отпирающих импульсов на очередные вентили 3, 9 приведет к началу второго этапа коммутации, на котором ток нагрузки будет переходить в цепь 19, 2, фаза c, фаза b, 3, а ток выходящей из работы фазы а будет вынужден замыкаться по цепям, содержащим диоды моста 21 и встречно включенный демпфирующий конденсатор 18. Снижение этого тока до нуля и восстановление напряжения на обкладках конденсатора 18 приведет устройство коммутации в исходное состояние. Аналогичным образом осуществляются коммутации и в других вентильных группах преобразователя.Figure 1, 4 presents examples of the implementation of reversing converters on dual-operation valves, in which it is possible to apply the discussed method, and figure 2, 3 - their equivalent circuit. The implementation of the method is considered by the example of reversing converters made according to a 3-phase counter-parallel two-bridge rectification scheme. The use of two-stage valves in these schemes creates the prerequisites for improving energy and dynamic performance, allowing you to adjust the output voltage by all known methods, subject to a corresponding change in the design of switching circuits. So, for example, in the circuit of figure 1, such regulation is possible by a pulse-phase method. This device contains dual-operation valves 1-6 as part of the first valve set and valves 7-12 as part of the second set. Switching gates 13-16 together with damping capacitors 17, 18 and diode bridges 20, 21 form a circuit for smooth switching. In this case, the valves 15, 16, the bridge 21 and the capacitor 18 are used for switching in the valve groups of the first bridge, and the valves 13, 14, the diode bridge 20 and the capacitor 17 in the valve groups of the second bridge. Suppose that over a non-switching period of time, control pulses, according to the specified method of joint coordinated control, are supplied to valves 1, 2 of the first bridge with control angles α ₁ = π / 2 and anti-parallel valves 7, 8 of the second bridge with control angles α ₂ = π / 2. As a result of the appearance of a voltage of the corresponding polarity at the output of the converter, the current flows through the valves 1, 2 of the first set and the load circuit 19. It is believed that the damping capacitors 17, 18 are charged using diode bridges 20, 21 and therefore are in the off state. To carry out current switching from phase a with valve 1 to phase b with valve 3, it is necessary to prepare for switching on the next valves of the phases 3, 9 that come into operation and to start the first stage of switching, turn on valve 12 with the switching valves 15, 16 connected in series. As can be seen from the equivalent circuit of FIG. 2, this will lead to the beginning of switching, since the total voltage of the capacitor and the EMF of the phase that enters into operation will in any case exceed the EMF of the phase that leaves the work. In this case, the current of one of the switching phases will be closed in a circuit with elements: phase a, 1, 19, 2, phase c, and the current of another phase in the circuit: phase b, 12, 16, 18, 15, 19, 2, phase c . However, the presence of a short-circuited circuit with valves 9, 12 can lead to a discharge of the capacitor, and in the future, its overcharge. To eliminate this possibility, it is proposed to delay for the first stage the supply of unlocking pulses to the next valves 3, 9 of the phase that enters into operation. This solution turns out to be the simplest and, nevertheless, correct, not leading to interruption of the load current if its direction changes, since a circuit with elements 19, 7, phase a, phase c, 8 will be prepared for its flow. Subsequent shutdown of the valves out of operation phases 1, 7, as well as valves 12, 15, 16 with the supply of delayed unlocking pulses to the next valves 3, 9, will lead to the beginning of the second switching stage, at which the load current will go to circuit 19, 2, phase c, phase b, 3, and the current of phase a coming out of operation will be forced amykatsya on circuits comprising diodes of the bridge 21 and the counter included snubber capacitor 18. Lowering of the current to zero and the voltage recovery on the plates of the capacitor 18, the switching device will in its initial state. Similarly, switching is carried out in other valve groups of the converter.

В схеме фиг. 4 регулирование выходного напряжения возможно широтно-импульсным способом. Данный преобразователь также выполнен по 3-фазной двухмостовой схеме на вентилях 22-27 (первый мост) и вентилях 28-33 (второй мост). Устройство плавной коммутации содержит коммутирующие двухоперационные вентили 35-38, образующие однофазный мост, к диагонали переменного тока которого подключена цепь нагрузки 34, а к диагонали постоянного тока - выводы демпфирующего конденсатора 39. Последний подключен к трехфазной сети с помощью диодного моста 40. In the circuit of FIG. 4, regulation of the output voltage is possible in a pulse-width manner. This converter is also made according to a 3-phase two-bridge circuit on valves 22-27 (first bridge) and valves 28-33 (second bridge). The smooth switching device contains two-stage switching valves 35-38, forming a single-phase bridge, the load circuit 34 is connected to the diagonal of the alternating current circuit, and the outputs of the damping capacitor 39 are connected to the DC diagonal. The latter is connected to the three-phase network using the diode bridge 40.

Рассмотрим работу устройства, полагая как и ранее, что на предшествующем коммутации интервале времени управляющие импульсы поданы на вентили обоих комплектов 22, 27 и 28, 33, а ток нагрузки замыкается по цепи с элементами: фаза а, 22, 34, 27 фаза С. Для реализации широтно-импульсного регулирования (ШИР) требуется одновременное попарное переключение вентилей моста, обеспечивающее циклическое подключение цепи нагрузки к сетевым источникам линейных напряжений. Принимая вариант знакопеременного ШИР, приходим к необходимости подключения к источникам линейных напряжений сети, находящихся в течение такта модуляции в противофазе. Этим обеспечивается необходимое изменение полярности выходного напряжения в течение каждого такта и соответственно, чередование выпрямительного и инверторного режимов работы преобразователя. При этом коммутации вентилей должны сопровождаться изменением направления тока на сетевом входе вентильного преобразователя. В рассматриваемом примере подобная коммутация предполагает одновременное выключение вентилей 22(28), 27(33) и включение вентилей 23(29), 26(32). Требуемое уменьшение тока выключаемых вентилей на первом этапе коммутации проще всего осуществляется уводом тока нагрузки в параллельную цепь с предварительно заряженным конденсатором. Для этого одновременно с подготовкой к включению указанных очередных вентилей в начале первого этапа, исходя из направления тока нагрузки, следует подать отпирающие импульсы на соответствующую пару коммутирующих вентилей, в данном случае с номерами 35, 36. Вследствие превышения начального напряжения конденсатора над напряжением сети ток нагрузки начнет переходить в цепь конденсатора с элементами 34, 36, 39, 35, что будет сопровождаться таким же уменьшением тока сетевых фаз а, c с вентилями 22, 27 и частичным разрядом конденсатора. Последующее на втором такте выключение работающих вентилей 22(28), 27(33), 35, 36 и включение очередных вентилей 23(29), 26(32) будет сопровождаться переходом тока нагрузки в цепь с элементами: 34, вентиль 23, диоды моста 40, встречно включенный конденсатор 39, вентиль 26. Это будет приводить к повторному заряду демпфирующего конденсатора, и после того, как напряжение на его обкладках начнет превышать междуфазную ЭДС сети, ток нагрузки начнет вытесняться в цепь с элементами 34, 23, фаза а, фаза c, 26, несмотря на присутствие в этой цепи встречного напряжения сети. Рассматриваемая коммутация завершится естественным выключением диодов моста 40 под воздействием обратного напряжения на обкладках конденсатора 39. Аналогично протекают коммутации в других вентильных группах. Анализ показывает, что в данной схеме также существует возможность нежелательного закорачивания конденсатора на первом этапе коммутации. На рассматриваемом интервале короткозамкнутую цепь образуют элементы 39, 33, 32. Техническим решением, устраняющим данную цепь, может служить упомянутая выше временная задержка при подаче отпирающих импульсов на вступающие в работу вентили обоих вентильных комплектов. We consider the operation of the device, assuming, as before, that at the previous switching time interval, control pulses were applied to the valves of both sets 22, 27 and 28, 33, and the load current was closed in a circuit with elements: phase a, 22, 34, 27 phase C. For the implementation of pulse-width regulation (WID), simultaneous pairwise switching of the bridge valves is required, providing a cyclic connection of the load circuit to the line voltage line sources. Taking the option of alternating WID, we come to the need to connect to the sources of linear voltage of the network, which are in antiphase during the modulation cycle. This ensures the necessary change in the polarity of the output voltage during each cycle and, accordingly, the alternation of the rectifier and inverter operation modes of the converter. In this case, the switching of the valves must be accompanied by a change in the direction of the current at the network input of the valve converter. In the considered example, such switching involves the simultaneous shutdown of valves 22 (28), 27 (33) and the inclusion of valves 23 (29), 26 (32). The required decrease in the current of the shut-off valves at the first stage of switching is most easily carried out by withdrawing the load current into a parallel circuit with a pre-charged capacitor. To do this, simultaneously with the preparation for switching on the indicated next valves at the beginning of the first stage, based on the direction of the load current, it is necessary to apply unlocking pulses to the corresponding pair of switching valves, in this case with numbers 35, 36. Due to the excess of the initial capacitor voltage over the mains voltage, the load current will begin to go into the capacitor circuit with elements 34, 36, 39, 35, which will be accompanied by the same decrease in the current of the network phases a, c with valves 22, 27 and a partial discharge of the capacitor. The subsequent shutdown of the operating valves 22 (28), 27 (33), 35, 36 and the switching on of the next valves 23 (29), 26 (32) at the second step will be accompanied by the transfer of the load current to the circuit with the elements: 34, valve 23, bridge diodes 40, counter-connected capacitor 39, valve 26. This will lead to re-charging the damping capacitor, and after the voltage on its plates begins to exceed the interfacial EMF of the network, the load current will begin to be displaced into the circuit with elements 34, 23, phase a, phase c, 26, despite the presence in this circuit of a counter voltage. The considered switching will end with the natural shutdown of the bridge 40 diodes under the influence of reverse voltage on the capacitor plates 39. Commutations in other valve groups proceed similarly. The analysis shows that in this circuit there is also the possibility of unwanted shorting of the capacitor at the first stage of switching. Elements 39, 33, 32 form a short-circuited circuit in the considered interval. The technical solution eliminating this circuit can be the aforementioned time delay when applying unlocking pulses to the valves of both valve sets that come into operation.

Claims

A method of switching current in reversible converter circuits on two-stage valves, which assumes the simultaneous supply of control pulses to each pair of successive valves connected by opposite terminals to the network phase that enters into operation as part of different counter-parallel connected bridge valve sets of the converter, by means of a smooth forced transfer of the load current from one switching phase to another under the influence of the voltage of a damping polar capacitor operating in the two-phase mode exchange energy with the inductive elements of the converter and the network without accumulating charge on its plates and correspondingly increase the level of switching overvoltages, consisting in the fact that at the first stage, the pre-charged capacitor is connected using switching valves in parallel to the valve of the phase or circuit of the load coming into operation with polarity voltage on the plates, which contributes to the passage of current into the capacitor circuit and to a decrease in the current of the shut-off valve that is out of phase with the observed a static discharge of the capacitor, and in the second stage, the indicated capacitor is switched so that the polarity of the voltage on its plates contributes to a decrease in the current of the phase that goes out of operation to zero when the capacitor is recharged and turned off before the next switching starts, characterized in that at the first stage of switching in avoiding overcharging of the polar capacitor creates a delay for switching on the next valves in the composition of both valve sets, and at the beginning of the second stage they shut the valve out of operation PS conductive set of current and fed firing pulses for the next two opposite-valve connected to one phase of a network composed of different sets of valve.