RU2408968C1

RU2408968C1 - Cycloconverter/cycloinverter

Info

Publication number: RU2408968C1
Application number: RU2009149815/07A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Степанович Зиновьев (RU); Геннадий Степанович Зиновьев; Леонид Григорьевич Зотов (RU); Леонид Григорьевич Зотов
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2009-12-31
Publication date: 2011-01-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: cycloconverter/cycloinverter can be used for direct conversion of multiphase alternating voltage of one frequency into multiphase alternating voltage of another frequency adjusted upwards and downwards from input voltage frequency and with possibility of obtaining output voltage of higher value than input voltage as well as of lower value. Such converters are used first of all for the purpose of electric drive AC frequency adjustment, also in autonomous systems of AC generation. The proposed cycloconverter/cycloinverter consists of classic three-phase cycloconverter/cycloinverter of AC nine key contacts the input of which is connected to commuted LC-circuit. It consists of accumulative inductor and storage capacitor series-connected to each input phase, and three-phase bridge diode rectifier with transistor at the output. Note that accumulative inductors and storage capacitors are series-connected between supply mains and inputs of classic cycloconverter/cycloinverter. The inputs of three-phase bridge diode rectifier with transistor at the output are connected to contact points of accumulative inductors and storage capacitors.

EFFECT: more simple structure.

4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к области полупроводниковой преобразовательной техники, и может быть использовано для непосредственного преобразования многофазного переменного напряжения одной частоты в многофазное переменное напряжение другой частоты, регулируемое как вниз, так и вверх от частоты входного напряжения, и с возможностью получения выходного напряжения как большей величины, чем входное напряжение, так и меньшей. Такие преобразователи применимы прежде всего для целей частотного регулирования электропривода переменного тока, а также в автономных системах электрогенерирования переменного тока.The present invention relates to electrical engineering, in particular to the field of semiconductor converting technology, and can be used to directly convert multiphase alternating voltage of one frequency to multiphase alternating voltage of another frequency, adjustable both down and up from the frequency of the input voltage, and with the possibility of obtaining output voltage as a larger value than the input voltage, and less. Such converters are applicable primarily for the purpose of frequency regulation of an alternating current electric drive, as well as in autonomous alternating current electric generation systems.

Известен непосредственный преобразователь частоты (Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Новосибирск: НГТУ, 2004, с.483), содержащий в случае, например, трехфазного входного и трехфазного выходного напряжений девять двунаправленных ключей, образующих три звезды, получающих питание от общего входного источника трехфазного напряжения. Общие точки звезд ключей образуют трехфазный выход преобразователя, к которому подключается трехфазная нагрузка, соединенная звездой или треугольником.A direct frequency converter is known (G. Zinoviev. Fundamentals of power electronics. Novosibirsk: NSTU, 2004, p. 483), containing, for example, three-phase input and three-phase output voltages, nine bidirectional keys forming three stars, powered by a common input three-phase voltage source. The common points of the key stars form a three-phase output of the converter, to which a three-phase load connected by a star or a triangle is connected.

Данный непосредственный преобразователь частоты позволяет получать частоту выходного напряжения как ниже, так и выше частоты входного напряжения.This direct frequency converter allows you to get the frequency of the output voltage both below and above the frequency of the input voltage.

Однако данный преобразователь имеет ограниченные функциональные возможности, так как не позволяет получать величину выходного напряжения больше, чем величина входного напряжения.However, this converter has limited functionality, since it does not allow to obtain an output voltage value greater than the input voltage value.

Кроме того, известен повышающе-понижающий непосредственный преобразователь частоты (Зиновьев Г.С. и др. Повышающе-понижающие регуляторы переменного напряжения и непосредственные преобразователи частоты. Электротехника, 2000, №11, с.16-20), взятый на прототип, содержащий девять двунаправленных ключей, образующих три звезды, к нулевым точкам которых подключены одними концами три накопительных реактора, к вторым концам которых подсоединены накопительные конденсаторы, вторые концы которых образуют выходные зажимы непосредственного преобразователя частоты, к которым дополнительно подключены входы трехфазного мостового диодного выпрямителя, на выходе которого включен транзистор, кроме того, такой же мостовой выпрямитель подключен к точкам соединения накопительных реакторов и накопительных конденсаторов. Данный преобразователь имеет расширенные функциональные возможности, так как позволяет получать величину выходного напряжения больше, чем величина входного напряжения.In addition, it is known step-up direct frequency converter (G. Zinoviev and other step-up AC voltage regulators and direct frequency converters. Electrical Engineering, 2000, No. 11, p.16-20), taken on a prototype containing nine bidirectional keys forming three stars, to the zero points of which three storage reactors are connected at one end, the second ends of which are connected to storage capacitors, the second ends of which form the output terminals of the direct conversion frequency converter, to which the inputs of a three-phase bridge diode rectifier are additionally connected, at the output of which a transistor is connected, in addition, the same bridge rectifier is connected to the connection points of storage reactors and storage capacitors. This converter has advanced functionality, since it allows you to get the output voltage value greater than the input voltage value.

Однако указанный непосредственный преобразователь частоты является сложным, т.к. содержит две дополнительные группы полупроводниковых вентилей (диодов с транзистором).However, said direct frequency converter is complicated because contains two additional groups of semiconductor gates (diodes with a transistor).

Задачей предлагаемого изобретения является создание более простого повышающе-понижающего непосредственного преобразователя частоты с более простой конструкцией.The objective of the invention is to provide a simple up-down direct frequency converter with a simpler design.

Это достигается тем, что в известном повышающее-понижающем непосредственном преобразователе частоты, например, трехфазного напряжения в трехфазное, содержащем три группы двунаправленных входных ключей соответственно трем выходным фазам преобразователя, соединенные в каждой группе одними своими концами в звезду, а вторыми концами соответственно объединенные между группами и образующие вход вентильной части непосредственного преобразователя частоты, а также нагрузку, введены три накопительных реактора, три накопительных конденсатора, трехфазный мостовой диодный выпрямитель с транзистором на выходе, причем накопительные реакторы и накопительные конденсаторы включены последовательно между питающей сетью и входами вентильной части непосредственного преобразователя частоты, а к точкам соединения накопительных реакторов и накопительных конденсаторов подключены входы трехфазного мостового диодного выпрямителя с транзистором на выходе.This is achieved by the fact that in the known up-down direct frequency converter, for example, three-phase voltage into three-phase, containing three groups of bidirectional input keys, respectively, three output phases of the converter, connected in each group by one of their ends into a star, and by the second ends respectively combined between groups and forming the input of the valve part of the direct frequency converter, as well as the load, three storage reactors, three storage condensates are introduced a three-phase bridge diode rectifier with a transistor output, wherein the accumulative reactors and storage capacitors are connected in series between the power supply and inputs gate portion direct frequency converter, and to the connection points of accumulation of reactors and storage capacitors connected to inputs of three-phase bridge diode rectifier with a transistor at the output.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого повышающе-понижающего непосредственного преобразователя частоты, на фиг.2 показаны временные диаграммы работы системы управления, на фиг.3 показаны временные диаграммы выходного напряжения преобразователя с его первой гармоникой в режиме повышения выходного напряжения над входным напряжением питающей сети 220 В, а также ток фазы нагрузки, на фиг.4 показаны временные диаграммы выходного напряжения преобразователя с его первой гармоникой в режиме понижения величины выходного напряжения над величиной входного напряжения питающей сети, а также ток фазы нагрузки преобразователя.Figure 1 presents a diagram of the proposed up-down direct frequency converter, figure 2 shows the timing diagrams of the control system, figure 3 shows the timing diagram of the output voltage of the converter with its first harmonic in the mode of increasing the output voltage over the input voltage of the supply network 220 In, as well as the current of the load phase, figure 4 shows the timing diagram of the output voltage of the Converter with its first harmonic in the mode of lowering the output voltage over the value hydrochloric input supply voltage, and phase converter load current.

Предлагаемый повышающе-понижающий непосредственный преобразователь частоты (фиг.1) содержит собственно классический непосредственный преобразователь частоты 1, три группы 2, 3, 4 двунаправленных ключей переменного тока (варианты выполнения ключей переменного тока известны, см., например, вышеуказанную книгу Основы силовой электроники, с.454), соответственно трем выходным фазам X, Y, Z преобразователя, соединенные в группе ключей 5, 6, 7, группе ключей 8, 9, 10 и группе ключей 11, 12, 13 одними своими концами ключей в звезду, а вторыми концами соответственно объединенные между группами и образующие вход a, b, c вентильной части собственно классического непосредственного преобразователя частоты 1, а также трехфазную нагрузку 14. Кроме того, непосредственный преобразователь частоты содержит коммутируемые LC-цепи 15, состоящие из последовательно соединенных с каждой фазой входа A, B, C накопительного реактора 16 и накопительного конденсатора 17, а также трехфазного мостового диодного выпрямителя 18 с транзистором на выходе 19. При этом накопительные реакторы и накопительные конденсаторы включены последовательно между питающей сетью A, B, C и входами a, b, c классического непосредственного преобразователя частоты 1, а к точкам соединения накопительных реакторов и накопительных конденсаторов подключены входы трехфазного мостового диодного выпрямителя 18 с транзистором 19 на выходе.The proposed up-down direct frequency converter (Fig. 1) contains the actual classical direct frequency converter 1, three groups of 2, 3, 4 bidirectional alternating current keys (alternate current alternatives are known, see, for example, the above book Fundamentals of power electronics, p. 544), respectively, of the three output phases X, Y, Z of the converter connected in the key group 5, 6, 7, the key group 8, 9, 10 and the key group 11, 12, 13 with one of their ends of the keys in the star, and the second ends respectively but combined between the groups and forming the input a, b, c of the valve part of the direct classical frequency converter 1 itself, as well as a three-phase load 14. In addition, the direct frequency converter contains switched LC circuits 15, consisting of input A connected in series to each phase B, C of the storage reactor 16 and the storage capacitor 17, as well as a three-phase bridge diode rectifier 18 with a transistor at the output 19. In this case, the storage reactors and storage capacitors are switched on after Consequently, between the supply network A, B, C and the inputs a, b, c of the classical direct frequency converter 1, the inputs of the three-phase bridge diode rectifier 18 with the transistor 19 at the output are connected to the connection points of the storage reactors and storage capacitors.

Предлагаемый повышающе-понижающий непосредственный преобразователь частоты (фиг.1) работает следующим образом. Так как способов управления транзисторными непосредственными преобразователями частоты (матричными конверторами) много, то описание работы предлагаемого непосредственного преобразователя частоты сделаем на примере циклического управления им как наиболее известного и простого для пояснения работы повышающе-понижающего непосредственного преобразователя частоты. Система управления генерирует три последовательности прямоугольных импульсов 20, 21, 22 фиг.2 с частотой, равной сумме частоты входного питающего напряжения непосредственного преобразователя частоты и частоты напряжения, желаемого на выходе преобразователя. Указанные последовательности импульсов образуют трехфазную систему, т.е. сдвинуты по фазе соответственно на треть и две трети своего периода. Четвертая последовательность импульсов 23 системы управления соответствует импульсам во всех паузах трехфазной совокупности указанных импульсных последовательностей и имеет тройную частоту по сравнению с ними. Из этих четырех последовательностей известным образом формируются последовательности прямоугольных импульсов для управления ключами непосредственного преобразователя частоты (см. указанную выше книгу, с.482.), Например, для ключа 1 последовательность прямоугольных импульсов для управления 24 образуется из логической суммы последовательностей 20 и 23. Нижняя диаграмма показывает входное напряжение фазы A непосредственного преобразователя частоты.The proposed up-down direct frequency converter (figure 1) works as follows. Since there are many ways to control transistor direct frequency converters (matrix converters), we will describe the operation of the proposed direct frequency converter using the example of its cyclic control as the most well-known and simple to explain operation of the up-down direct frequency converter. The control system generates three sequences of rectangular pulses 20, 21, 22 of FIG. 2 with a frequency equal to the sum of the frequency of the input supply voltage of the direct frequency converter and the voltage frequency desired at the output of the converter. The indicated pulse sequences form a three-phase system, i.e. phase shifted by one third and two thirds of their period, respectively. The fourth sequence of pulses 23 of the control system corresponds to pulses in all pauses of a three-phase set of the indicated pulse sequences and has a triple frequency in comparison with them. From these four sequences, in a known manner, sequences of rectangular pulses are formed for controlling the keys of the direct frequency converter (see the book above, p. 482.), For example, for key 1, a sequence of rectangular pulses for controlling 24 is formed from the logical sum of sequences 20 and 23. Lower The diagram shows the input voltage of phase A of the direct frequency converter.

В первом такте управления во время действия логической суммы последовательностей прямоугольных импульсов 20, 21, 22 на транзистор 19 он включен и замыкает выход трехфазного мостового диодного выпрямителя 18. Накопительные реакторы 15 замкнуты при этом в звезду и в них нарастает ток под действием напряжения питающей сети. Одновременно последовательности прямоугольных импульсов 20, 21, 22 включают соответствующие ключи классического непосредственного преобразователя частоты 1 и на его выходах X, Y, Z формируются импульсы напряжения из напряжений накопительных конденсаторов 17, соединенных на этих интервалах также в звезду через трехфазный мостовой диодный выпрямитель 18 и транзистор 19. Форма напряжения на выходе одной фазы преобразователя показана на фиг.3 на первой диаграмме, а на второй - ток нагрузки этой фазы.In the first control cycle, during the action of the logical sum of the sequences of rectangular pulses 20, 21, 22 on the transistor 19, it is turned on and closes the output of the three-phase bridge diode rectifier 18. The storage reactors 15 are closed in this case to the star and the current increases in them under the influence of the supply voltage. At the same time, the sequences of rectangular pulses 20, 21, 22 include the corresponding keys of the classic direct frequency converter 1 and voltage pulses are formed at its outputs X, Y, Z from the voltages of the storage capacitors 17, connected at these intervals also to the star through a three-phase bridge diode rectifier 18 and a transistor 19. The voltage shape at the output of one phase of the converter is shown in figure 3 in the first diagram, and in the second - the load current of this phase.

Во втором такте управления последовательность импульсов 22 системы управления подается одновременно на три ключа, например 5, 6 и 7 одной фазы выхода преобразователя, и три ключа, например 5, 8, и 11 одной фазы входа преобразователя. Первая комбинация импульсов управления обеспечивает замыкание в зеркальную звезду накопительных конденсаторов 17 (по сравнению с предыдущей звездой их соединения) уже по их правым выводам, обеспечивая подключение их к питающей сети через накопительные реакторы 16. При этом энергия, накопившаяся на предыдущем первом такте в накопительных реакторах 16, передается в накопительные конденсаторы 17, восполняя ее потерю от их разряда на нагрузку в первом такте. Одновременно с этим фазы нагрузки 14 оказываются замкнуты между собой, напряжение на нагрузке равно нулю, а ток в нагрузке спадает, как это видно из фиг.3. Если длительность импульса последовательности 20 больше длительности импульса последовательности 23, то амплитуда напряжения на выходе непосредственного преобразователя частоты больше амплитуды напряжения фазы питающей сети (здесь более 500 вольт по сравнению с 308 вольт амплитуды напряжения фазы питающей сети). При обратном соотношении между длительностями указанных последовательностей амплитуда напряжения на выходе непосредственного преобразователя частоты меньше амплитуды напряжения фазы питающей сети, как это видно из диаграмм напряжения на фиг.4, где амплитуда напряжения на выходе непосредственного преобразователя частоты около 70 вольт. Ситуация подобна соотношению выходного и входного напряжений, известного dc-dc конвертора Кука при аналогичном соотношении между длительностями импульсов на первом и втором такте управления в нем (см. с.354 вышеуказанной книги).In the second control cycle, the pulse train 22 of the control system is supplied simultaneously to three keys, for example 5, 6 and 7 of one phase of the converter output, and three keys, for example 5, 8, and 11 of one phase of the converter input. The first combination of control pulses ensures that the storage capacitors 17 (in comparison with the previous star of their connection) are shorted to the mirror star according to their right-hand conclusions, providing that they are connected to the supply network through the storage reactors 16. In this case, the energy accumulated on the previous first cycle in the storage reactors 16 is transmitted to the storage capacitors 17, making up for its loss from their discharge to the load in the first cycle. At the same time, the phases of the load 14 are closed to each other, the voltage at the load is zero, and the current in the load drops, as can be seen from figure 3. If the pulse duration of sequence 20 is longer than the pulse duration of sequence 23, then the voltage amplitude at the output of the direct frequency converter is greater than the amplitude of the voltage of the supply network phase (there are more than 500 volts compared to 308 volts of the voltage amplitude of the phase of the supply network). With an inverse relationship between the durations of the indicated sequences, the voltage amplitude at the output of the direct frequency converter is less than the voltage amplitude of the phase of the supply network, as can be seen from the voltage diagrams in Fig. 4, where the voltage amplitude at the output of the direct frequency converter is about 70 volts. The situation is similar to the ratio of the output and input voltages, the well-known dc-dc Cook converter with a similar ratio between the pulse durations on the first and second control clock in it (see p. 354 of the above book).

Таким образом, предлагаемый повышающее-понижающий непосредственный преобразователь частоты по сравнению с прототипом при полной идентичности функциональных возможностей по выходу (режимы повышения и понижения напряжения) является более простым, т.к. не требует второго трехфазного мостового диодного выпрямителя с транзистором на его выходе.Thus, the proposed up-down direct frequency converter in comparison with the prototype with the identical functionality of the output capabilities (voltage boost and low voltage modes) is simpler, because does not require a second three-phase bridge diode rectifier with a transistor at its output.

Claims

An up-down direct frequency converter containing nine bidirectional keys forming three stars, characterized in that switched LC circuits are introduced at its input, consisting of a storage reactor and a storage capacitor connected in series to each phase, as well as a three-phase bridge diode rectifier with output transistor, while storage reactors and storage capacitors are connected in series between the mains and the inputs of the classic direct frequency converter, and to the connection points of accumulation of reactors and storage capacitors connected inputs of the three-phase diode bridge rectifier with an output transistor.