RU2584679C2 - Method of inverting voltage - Google Patents
Method of inverting voltage Download PDFInfo
- Publication number
- RU2584679C2 RU2584679C2 RU2015117553/07A RU2015117553A RU2584679C2 RU 2584679 C2 RU2584679 C2 RU 2584679C2 RU 2015117553/07 A RU2015117553/07 A RU 2015117553/07A RU 2015117553 A RU2015117553 A RU 2015117553A RU 2584679 C2 RU2584679 C2 RU 2584679C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- voltage
- winding
- magnetic field
- circular
- taps
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 89
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 19
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 6
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 4
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
- H02M7/66—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal
- H02M7/68—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output with possibility of reversal by static converters
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Ac-Ac Conversion (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в статических инверторах напряжения для питания электроэнергетических систем переменного тока, а также для питания тягового электропривода.The invention relates to a conversion technique and can be used in static voltage inverters to power AC electric power systems, as well as to power a traction electric drive.
Уровень техникиState of the art
Из уровня техники известен способ импульсного преобразования постоянного напряжения и устройство для его осуществления [патент РФ №2510871], где энергию от источника питания постоянного тока непрерывно передают подключенной к нему емкостной стойке с двумя конденсаторами. Путем импульсного управления двумя регулируемыми ключами на первом этапе каждого периода высокочастотного периодического процесса дозирования осуществляют накопление энергии в дозирующем дросселе, подключая его к одному из двух конденсаторов стойки через замкнутый один из двух регулирующих ключей при разомкнутом другом ключе. На втором этапе энергию, накопленную на первом этапе, передают в другой конденсатор стойки при разомкнутых состояниях обоих ключей от дозирующего дросселя через один из двух выпрямительных диодов. Энергию, накапливаемую в конденсаторах стойки и в дозирующем дросселе, и энергию источника питания непрерывно передают в нагрузку переменного тока по двунаправленной цепи между средними выводами источника питания и емкостной стойки, периодически изменяя величину и полярность напряжения нагрузки на чередующихся полупериодах низкочастотного периодического процесса. На этапах длительности каждого его периода при нарастании напряжения нагрузки энергию, накопленную в первом конденсаторе емкостной стойки и источника питания, дозированно передают во второй конденсатор и в нагрузку. На этапах длительности того же периода при спадании напряжения нагрузки или при его неизменности энергию из второго конденсатора стойки и источника питания дозированно передают в первый конденсатор и в нагрузку.The prior art method for pulsed DC voltage conversion and a device for its implementation [RF patent No. 2510871], where the energy from the DC power source is continuously transmitted to the connected capacitive rack with two capacitors. By pulse control of two adjustable keys at the first stage of each period of the high-frequency periodic dosing process, energy is accumulated in the metering choke, connecting it to one of the two capacitors of the rack through the closed one of the two control keys when the other key is open. In the second stage, the energy accumulated in the first stage is transferred to another rack capacitor in the open states of both keys of the metering inductor through one of the two rectifier diodes. The energy stored in the capacitors of the rack and in the metering choke, and the energy of the power source are continuously transferred to the AC load through a bi-directional circuit between the middle terminals of the power source and the capacitive rack, periodically changing the magnitude and polarity of the load voltage on alternating half-periods of the low-frequency periodic process. At the stages of the duration of each of its periods with increasing load voltage, the energy stored in the first capacitor of the capacitive rack and power supply is metered passed to the second capacitor and to the load. At stages of the duration of the same period, when the load voltage drops or when it does not change, energy from the second capacitor of the rack and the power source is metered into the first capacitor and to the load.
К недостаткам такого решения можно отнести наличие накопительных конденсаторов, что снижает надежность и безотказность. Импульсное дозирование энергии, передаваемой в нагрузку, ухудшает электромагнитную совместимость с другим оборудованием.The disadvantages of this solution include the presence of storage capacitors, which reduces reliability and reliability. Pulse dosing of energy transferred to the load impairs electromagnetic compatibility with other equipment.
Также известен способ инвертирования напряжения на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем [Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М., Солуянов П.В. Судовые полупроводниковые преобразователи. СПб.: Изд-во СПбГМТУ, 2011 г.], имеющего первичную круговую обмотку по типу якорной обмотки машины постоянного тока и трехфазную вторичную обмотку по типу статорных обмоток машин переменного тока. В данном способе инвертирование постоянного входного напряжения в переменное синусоидальное выходное реализуется за счет создания ступенчато вращающегося магнитного поля, для чего попарно коммутируются диаметральные отводы первичной круговой обмотки, в порядке последовательной очередности, в результате чего формируется дискретно перемещающееся магнитное поле, которое формирует ступенчатую многофазную систему ЭДС, снимаемую с вторичной многофазной обмотки.Also known is a method of inverting voltage based on a transformer with a rotating magnetic field [Dmitriev B.F., Ryaben'ky V.M., Cherevko A.I., Music M.M., Soluyanov P.V. Marine semiconductor converters. SPb .: Publishing house SPbGMTU, 2011], having a primary circular winding as an anchor winding of a DC machine and a three-phase secondary winding as a stator winding of AC machines. In this method, inverting a constant input voltage into an alternating sinusoidal output is realized by creating a stepwise rotating magnetic field, for which the diametrical taps of the primary circular winding are switched in pairs in sequential order, as a result of which a discrete moving magnetic field is formed, which forms a stepwise multiphase EMF system removed from the secondary multiphase winding.
К недостаткам такого решения можно отнести дискретную коммутацию отводов первичной обмотки, что приводит к низкому качеству напряжения на его выходе. Улучшение качества выходного напряжения в этом случае возможно только схемотехнически, за счет большого числа отводов круговой первичной обмотки и коммутирующих полупроводниковых ключей, что приводит к излишней громоздкости. Основным же недостатком способа является невозможность плавного регулирования уровня выходного напряжения, что сужает область его применения. Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к предлагаемому изобретению.The disadvantages of this solution include discrete switching of the taps of the primary winding, which leads to low quality voltage at its output. Improving the quality of the output voltage in this case is possible only by circuit design, due to the large number of taps of the circular primary winding and commuting semiconductor switches, which leads to excessive cumbersome. The main disadvantage of this method is the inability to smoothly control the level of the output voltage, which narrows the scope of its application. This solution is the closest in its technical essence to the prototype of the invention.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Инвертированием в силовой электротехнике называют процесс преобразования постоянного напряжения в переменное. Этот процесс является обратным выпрямлению. Различают следующие типы инверторов: инверторы напряжения, инверторы тока и резонансные инверторы. Наиболее широкой областью применения обладают автономные инверторы напряжения, это лучший универсальный преобразователь электрической энергии. Кроме основной функции преобразования постоянного напряжения в переменное, все инверторы напряжения могут выполнять обращенную функцию, преобразуя переменное напряжение в постоянное. Таким образом, на базе любого автономного инвертора напряжения может быть реализован двунаправленный обратимый преобразователь.Inversion in power electrical engineering is the process of converting direct voltage to alternating voltage. This process is the opposite of straightening. The following types of inverters are distinguished: voltage inverters, current inverters and resonant inverters. Autonomous voltage inverters have the widest scope of application; this is the best universal converter of electrical energy. In addition to the main function of converting direct voltage to alternating voltage, all voltage inverters can perform an inverted function, converting alternating voltage to direct. Thus, on the basis of any autonomous voltage inverter, a bi-directional reversible converter can be implemented.
В основе автономного инвертирования напряжения лежит рассмотрение переменного тока как периодически реверсируемого постоянного тока, из-за чего все устройства, реализующие такой способ преобразования, основаны на реверсивной мостовой схеме, состоящей из полупроводниковых ключей. Форма выходного напряжения при этом находится в зависимости от коммутационной функции полупроводникового коммутатора на базе реверсивной мостовой схемы. Простейшим случаем инвертирования является преобразование с прямоугольной формой выходного напряжения. При этом преобразование постоянного напряжения первичного источника в переменное достигается с помощью полупроводниковых ключей, периодически коммутируемых таким образом, чтобы получить знакопеременное напряжение на зажимах нагрузки.Autonomous voltage inversion is based on the consideration of alternating current as a periodically reversible direct current, which is why all devices that implement this conversion method are based on a reversible bridge circuit consisting of semiconductor switches. The shape of the output voltage in this case depends on the switching function of the semiconductor switch based on a reversible bridge circuit. The simplest case of inversion is conversion with a rectangular shape of the output voltage. In this case, the conversion of the DC voltage of the primary source to AC is achieved using semiconductor switches, periodically switched in such a way as to obtain alternating voltage at the load terminals.
Увеличение качества выходного напряжения при инвертировании с квазисинусоидальной формой выходного напряжения в переменное напряжение по форме, близкое синусоидальной, достигается за счет применения соответствующих алгоритмов модулирования управления полупроводниковыми ключами реверсивной мостовой схемы по синусоидальному закону. Затем с помощью высокочастотного фильтра нижних частот выделяют синусоидальную составляющую выходного напряжения инвертора. Иногда индуктивную нагрузку питают напрямую от выхода инвертора напряжения, поскольку потребляемый от него ток сглаживается реактивным характером нагрузки.An increase in the quality of the output voltage when inverting with a quasi-sinusoidal form of the output voltage into alternating voltage in a shape close to sinusoidal is achieved through the use of appropriate algorithms for modulating the control of semiconductor switches of a reversible bridge circuit according to a sinusoidal law. Then, using a high-pass low-pass filter, a sinusoidal component of the inverter output voltage is isolated. Sometimes the inductive load is supplied directly from the output of the voltage inverter, since the current consumed from it is smoothed by the reactive nature of the load.
Дальнейшее качество выходного напряжения в существующих инверторах может быть улучшено за счет применения многоуровневых алгоритмов преобразования, реализуемых в модифицированных схемах инверторов. Использование данных методов обусловлено необходимостью улучшения качества выходного напряжения, дальнейшее повышение которого в одноуровневом инвертировании ограничено предельной допустимой скоростью коммутации полупроводниковых ключей. Многоуровневое преобразование реализуется за счет применения амплитудной модуляции, которая позволяет сформировать ступенчатую кривую выходного напряжения, аппроксимирующую синусоиду. Эта схема имеет некоторые преимущества, например возможность уменьшения рабочих напряжений полупроводниковых ключей. Недостатком является необходимость наличия нескольких источников постоянного напряжения или разделения уровней при помощи конденсаторов большой емкости (секционирование источника питания емкостным делителем).Further quality of the output voltage in existing inverters can be improved through the use of multi-level conversion algorithms implemented in modified inverter circuits. The use of these methods is due to the need to improve the quality of the output voltage, the further increase of which in single-level inversion is limited by the maximum permissible switching speed of semiconductor switches. Multilevel conversion is implemented through the use of amplitude modulation, which allows you to create a stepped curve of the output voltage that approximates a sinusoid. This circuit has some advantages, for example, the ability to reduce the operating voltage of semiconductor switches. The disadvantage is the need for several sources of constant voltage or separation of levels using capacitors of large capacity (sectioning of the power source by a capacitive divider).
В целом, появление мощных полностью управляемых полупроводниковых ключей с высокой частотой коммутации дало толчок к развитию импульсных преобразователей и поиску различных алгоритмов управления ими. Появление новых способов широтно-импульсного управления позволило создать преобразователи с улучшенными характеристиками - повышению коэффициента потребляемой мощности, качеством выходного напряжения и тока, сниженными массой и габаритами. Одновременно с этим произошло повышение частоты коммутации вентилей, которая во много раз превышает частоту питающей сети, и еще больше - по сравнению с классическими преобразователями. Это ведет к повышенному тепловыделению вентилей, ухудшению электромагнитной совместимости и снижению надежности их работы - поскольку процесс коммутации является самым напряженным режимом работы, сопровождаемым кроме того, выбросами напряжения при разрыве кривой тока.In general, the emergence of powerful fully controllable semiconductor switches with a high switching frequency gave impetus to the development of pulse converters and the search for various algorithms for controlling them. The advent of new methods of pulse-width pulse control has allowed the creation of converters with improved characteristics - increasing the coefficient of power consumption, the quality of the output voltage and current, reduced weight and dimensions. At the same time, there was an increase in the frequency of switching valves, which is many times higher than the frequency of the mains, and even more - in comparison with classical converters. This leads to increased heat dissipation of the valves, deterioration of electromagnetic compatibility and reduced reliability of their operation - since the switching process is the most intense mode of operation, which is also accompanied by voltage surges when the current curve breaks.
Главной технической проблемой современной силовой преобразовательной техники можно признать процесс коммутации тока и снижение коммутационных выбросов ЭДС, а также приближение формы выходного напряжения инверторов к идеальной синусоиде.The main technical problem of modern power converting equipment can be recognized as the process of switching current and reducing switching emissions of EMF, as well as approximating the shape of the output voltage of inverters to an ideal sinusoid.
Как правило, в существующих статических преобразователях трансформаторы применяются главным образом для согласования напряжения питающей сети с напряжением на выходе преобразователя. В мощных статических преобразователях частоты, чаще всего, используется звено постоянного тока, получаемое выпрямлением переменного напряжения сети, а для гальванической развязки и согласования напряжения используется силовой трансформатор.As a rule, in existing static converters, transformers are mainly used to match the voltage of the supply network with the voltage at the output of the converter. In powerful static frequency converters, most often, a DC link is used, obtained by rectifying an alternating voltage of the network, and a power transformer is used for galvanic isolation and voltage matching.
Для улучшения электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей, и в частности, инверторов напряжения, и улучшения качества выходного напряжения и потребляемого из сети тока, было предложено использовать новый тип согласующих трансформаторов с вращающимся полем. В основе таких трансформаторов лежит асинхронный двигатель с заторможенным ротором, при этом, как правило, число зубцов "статора" совпадает с числом зубцов "ротора", либо как вариант, первичная и вторичная обмотки укладываются в общий паз. В качестве обмотки переменного тока используется многофазная (чаще всего трехфазная) обмотка по типу статорных обмоток электрических машин переменного тока. В качества обмотки на стороне постоянного тока используется круговая обмотка по типу якорных обмоток машин постоянного тока, уложенная в пазах, и разделенная на секции с отводами от них. Принципиальная электрическая схема такого трансформатора представлена на фигуре 1.To improve the electromagnetic compatibility of semiconductor converters, and in particular voltage inverters, and to improve the quality of the output voltage and current consumed from the mains, it was proposed to use a new type of matching transformers with a rotating field. Such transformers are based on an asynchronous motor with a braked rotor, while, as a rule, the number of teeth of the "stator" coincides with the number of teeth of the "rotor", or, as an option, the primary and secondary windings fit into a common groove. As an alternating current winding, a multiphase (most often three-phase) winding is used as a stator winding of electric alternating current machines. As a winding on the DC side, a circular winding of the type of anchor windings of DC machines is used, laid in grooves, and divided into sections with bends from them. Schematic diagram of such a transformer is shown in figure 1.
При работе преобразователя в режиме выпрямителя многофазная первичная обмотка создает вращающееся магнитное поле, имеющее пространственное распределение и перемещающееся (вращающееся) во времени, наводя во вторичной круговой обмотке переменную ЭДС. При заданном направлении вращения магнитного поля полярность индуцируемой в секциях круговой обмотки ЭДС будет зависеть от того, какой магнитный полюс на них воздействует. При этом во всех проводниках, расположенных под одним магнитным полюсом, полярность ЭДС будет одинаковой. Вместе с магнитным полем, созданным первичной обмоткой, вращается и геометрическая ось симметрии системы ЭДС круговой обмотки. Секции круговой обмотки, в которых наводится ЭДС, располагаются по обе стороны от оси симметрии. Половины круговой обмотки, определяемые геометрической осью симметрии (называемой диагональю круговой обмотки), имеют встречную полярность и равны друг другу по модулю. Равенство суммы ЭДС всех секций круговой обмотки предопределяет отсутствие кольцевых уравнительных токов. Схема системы ЭДС круговой обмотки с 4 выводами приведена на фигуре 2. Круговая обмотка замкнута и симметрична, но при отсутствии внешней нагрузки тока в ней нет, поскольку ЭДС всех ее секций уравновешивают друг друга при условии симметрии первичной питающей сети. Максимальное выходное напряжение снимается с отводов круговой обмотки, расположенных на диагонали друг к другу, совпадающей с геометрической осью симметрии системы ЭДС. Коммутируя отводы ее диагонали вслед за вращением магнитного поля, получают выпрямленное напряжение. Главной особенностью режима выпрямления является плавное пространственное перемещение полюсов вращающегося магнитного поля, что предопределяется непрерывностью функции входного переменного многофазного напряжения.When the converter operates in rectifier mode, the multiphase primary winding creates a rotating magnetic field with a spatial distribution and moving (rotating) in time, inducing an EMF variable in the secondary circular winding. For a given direction of rotation of the magnetic field, the polarity of the EMF induced in the sections of the circular winding will depend on which magnetic pole affects them. Moreover, in all conductors located under the same magnetic pole, the polarity of the EMF will be the same. Together with the magnetic field created by the primary winding, the geometric axis of symmetry of the circular winding EMF system rotates. The sections of the circular winding in which the EMF is induced are located on both sides of the axis of symmetry. The halves of the circular winding, defined by the geometric axis of symmetry (called the diagonal of the circular winding), have opposite polarity and are equal in modulus to each other. The equality of the sum of the EMF of all sections of the circular winding determines the absence of ring equalizing currents. The circuit of the EMF system of a circular winding with 4 leads is shown in Figure 2. The circular winding is closed and symmetrical, but there is no current in it if there is no external load, since the EMF of all its sections balance each other under the condition of symmetry of the primary supply network. The maximum output voltage is removed from the branches of the circular winding located on the diagonal to each other, coinciding with the geometric axis of symmetry of the EMF system. By commuting the taps of its diagonal following the rotation of the magnetic field, a rectified voltage is obtained. The main feature of the rectification mode is the smooth spatial movement of the poles of a rotating magnetic field, which is predetermined by the continuity of the input variable multiphase voltage function.
При инвертировании напряжения на базе трансформатора с вращающимся полем назначение обмоток меняется: круговая обмотка становится первичной, а многофазная обмотка - вторичной. В основе способа инвертирования лежит коммутация диаметральных отводов круговой обмотки, в результате чего создается направленное магнитное поле, пространственное распределение которого зависит от задействованной диагонали обмотки. При последовательной поочередной коммутации отводов возникает дискретное ступенчатое перемещение суммарного магнитного поля, которое возбуждает в многофазной (чаще всего трехфазной) вторичной обмотке ступенчатую систему ЭДС. Последовательность работы полупроводниковых ключей коммутатора для случая с 4 отводами круговой обмотки приведена на фигуре 3, а форма выходного напряжения на фигуре 4. Частота выходного напряжения инвертора при этом определяется скоростью коммутации отводов первичной круговой обмотки. Дискретность коммутации отводов круговой обмотки приводит к значительному ухудшению качества выходного напряжения и его гармонического состава. В качестве меры против таких искажений используют ряд технологических приемов, в том числе: сокращение шага многофазной обмотки по пазам, скос пазов и увеличение числа отводов круговой обмотки. Последний способ повышения качества требует значительного увеличения числа полупроводниковых ключей реверсивного мостового коммутатора, что может быть излишне громоздко.When inverting the voltage on the basis of a transformer with a rotating field, the purpose of the windings changes: the circular winding becomes primary, and the multiphase winding becomes secondary. The inversion method is based on switching the diametrical taps of a circular winding, as a result of which a directional magnetic field is created, the spatial distribution of which depends on the involved diagonal of the winding. With sequential alternate switching of taps, a discrete stepwise movement of the total magnetic field occurs, which excites a step-type EMF system in a multiphase (most often three-phase) secondary winding. The sequence of operation of the semiconductor switches of the switch for the case with 4 taps of the circular winding is shown in figure 3, and the shape of the output voltage in figure 4. The frequency of the output voltage of the inverter is determined by the switching speed of the taps of the primary circular winding. The discreteness of switching the taps of the circular winding leads to a significant deterioration in the quality of the output voltage and its harmonic composition. As a measure against such distortions, a number of technological methods are used, including: reducing the pitch of the multiphase winding along the grooves, beveling of the grooves and increasing the number of taps of the circular winding. The last way to improve quality requires a significant increase in the number of semiconductor switches of a reversible bridge switch, which can be unnecessarily cumbersome.
Невозможность создания плавно вращающегося, непрерывного магнитного поля - главный недостаток такого способа инвертирования напряжения. Кроме того, ему свойственен еще один принципиальный недостаток: поскольку управление диагоналями круговой обмотки предопределяет неизменность амплитудного значения выходного переменного напряжения, то становится невозможным плавное регулирование выходного напряжения, что существенно ограничивает область применимости такого способа инвертирования. Возможность устранения этого недостатка за счет управления хордами круговой обмотки, а не ее диагоналями, приводит к появлению несимметричности магнитного потока разного рода, а также к неэффективному использованию витков круговой обмотки, к значительному ухудшению качества выходного напряжения.The impossibility of creating a smoothly rotating, continuous magnetic field is the main disadvantage of this method of inverting voltage. In addition, he has another fundamental drawback: since the control of the diagonals of the circular winding predetermines the constancy of the amplitude value of the output alternating voltage, it becomes impossible to smoothly control the output voltage, which significantly limits the applicability of this method of inversion. The possibility of eliminating this drawback by controlling the chords of a circular winding, and not its diagonals, leads to the appearance of asymmetry of various kinds of magnetic flux, as well as to the inefficient use of turns of a circular winding, to a significant deterioration in the quality of the output voltage.
Трансформаторы с вращающимся магнитным полем могут иметь различные комбинации первичных и вторичных обмоток. Например, ОАО "Электросила" использовала в своих серийных решениях трансформатор с вращающимся магнитным полем с 6-фазной вторичной обмоткой, для использования в схеме 12-пульсного выпрямителя. При этом фазы вторичной обмотки соединяются в две 3-фазные звезды, имеющие сдвиг на 30 градусов между собой, и подключенные к двум выпрямительным мостам. Также возможно использование трансформаторов с вращающимся магнитным полем с двумя и более круговыми обмотками. Такой вариант может быть использован для увеличения качества выходного постоянного напряжения выпрямителя на его базе.Rotating magnetic field transformers can have various combinations of primary and secondary windings. For example, Electrosila OJSC used in its serial solutions a transformer with a rotating magnetic field with a 6-phase secondary winding, for use in a 12-pulse rectifier circuit. In this case, the phases of the secondary winding are connected into two 3-phase stars with a shift of 30 degrees between themselves, and connected to two rectifier bridges. It is also possible to use transformers with a rotating magnetic field with two or more circular windings. This option can be used to increase the quality of the output DC voltage of the rectifier based on it.
В случае инвертирования напряжения на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем, имеющим несколько круговых обмоток, возможны следующие варианты:In the case of voltage inversion based on a transformer with a rotating magnetic field having several circular windings, the following options are possible:
1. Коммутирование отводов всех круговых обмоток происходит одновременно и синхронно, так что диагонали всех обмоток совпадают; в этом случае формируется магнитное поле, определяемое суммарным магнитным потоком круговых обмоток;1. Commutation of the taps of all circular windings occurs simultaneously and synchronously, so that the diagonals of all windings coincide; in this case, a magnetic field is formed, determined by the total magnetic flux of the circular windings;
2. Коммутация отводов круговых обмоток происходит одновременно, но не синхронно, так что диагонали обмоток не совпадают, а формируемое магнитное поле имеет меньший суммарный магнитный поток, зависящий от сдвига диагоналей круговых обмоток относительно друг друга.2. Switching of the taps of the circular windings occurs simultaneously, but not synchronously, so that the diagonals of the windings do not coincide, and the generated magnetic field has a lower total magnetic flux, which depends on the shift of the diagonals of the circular windings relative to each other.
В последнем случае, встречное включение диагоналей обмоток эквивалентно режиму короткого замыкания, и является недопустимым. Согласное включение диагоналей обмоток индуцирует во вторичной многофазной обмотке переменное напряжение, имеющее максимально возможную амплитуду. Между этими двумя крайними вариантами имеется ряд промежуточных ступеней выходного напряжения, число которых зависит от числа отводов круговых обмоток.In the latter case, the counter inclusion of the diagonals of the windings is equivalent to the short circuit mode, and is unacceptable. The consonant inclusion of the diagonals of the windings induces an alternating voltage in the secondary multiphase winding having the maximum possible amplitude. Between these two extreme options there is a series of intermediate stages of the output voltage, the number of which depends on the number of taps of the circular windings.
Возможен третий вариант, положенный в основу заявляемого способа инвертирования и позволяющий устранить указанные выше принципиальные недостатки прототипа. В его основу положено следующее: при коммутировании отводов первичных круговых обмоток (двух или более) трансформатора с вращающимся полем вводится временная задержка в алгоритм управления диагональными отводами круговых обмоток. При этом формируется суммарное магнитное поле, которое является производным от магнитного поля круговых обмоток, а также временной задержки между ними, что и лежит в основе заявляемого способа инвертирования напряжения.A third option is possible, which is the basis of the proposed method of inversion and allows to eliminate the above fundamental disadvantages of the prototype. It is based on the following: when switching the taps of the primary circular windings (two or more) of a transformer with a rotating field, a time delay is introduced into the algorithm for controlling the diagonal taps of the circular windings. In this case, a total magnetic field is formed, which is derived from the magnetic field of the circular windings, as well as the time delay between them, which underlies the inventive method of inverting voltage.
Последовательность работы полупроводниковых ключей для случая с 4 отводами и двумя круговыми обмотками приведена на фигуре 5. Здесь очевидно, что коммутация одной круговой обмотки идет на опережение, а другой - отстает на заданное значение задержки. Круговые обмотки можно разделить на "опережающую" и "отстающую". Скорость коммутации круговых обмоток определяет частоту выходного инвертированного напряжения, а временная задержка до коммутации отстающей обмотки определяет уровень выходного напряжения. Поскольку параметр временной задержки не имеет дискретности и является непрерывным - становится возможным плавное регулирование выходного напряжения. Одновременно происходит сглаживание ступенчатого характера вращения суммарного магнитного поля, принимающего квазинепрерывный характер. Это означает сглаживание формы выходного инвертированного напряжения, качество которого будет зависеть от многих факторов и определяется токами круговых обмоток, а также их индуктивностью.The sequence of operation of semiconductor switches for a case with 4 taps and two circular windings is shown in figure 5. Here it is obvious that the switching of one circular winding is ahead of the curve, and the other lags behind a predetermined delay value. Circular windings can be divided into “leading” and “lagging”. The switching speed of the circular windings determines the frequency of the output inverted voltage, and the time delay before switching the lagging winding determines the level of the output voltage. Since the time delay parameter has no discreteness and is continuous, it becomes possible to smoothly control the output voltage. At the same time, the stepwise character of the rotation of the total magnetic field, which takes on a quasicontinuous character, is smoothed out. This means smoothing the shape of the output inverted voltage, the quality of which will depend on many factors and is determined by the currents of the circular windings, as well as their inductance.
Отличие предлагаемого способа инвертирования напряжения от прототипа заключается в способе регулирования уровня выходного напряжения. В заявленном способе коммутируется две или более круговых обмоток трансформатора с вращающимся магнитным полем, так что в соответствии с заложенным алгоритмом обеспечивается временной сдвиг между моментами коммутации диагональных отводов данных обмоток. Результирующее магнитное поле определяется данной задержкой, что в результате и обеспечивает плавное регулирование уровня выходного напряжения.The difference between the proposed method of inverting voltage from the prototype lies in the method of regulating the level of output voltage. In the inventive method, two or more circular windings of a transformer with a rotating magnetic field are switched, so that in accordance with the laid algorithm, a time shift is provided between the moments of switching of the diagonal taps of these windings. The resulting magnetic field is determined by this delay, which results in a smooth adjustment of the output voltage level.
Заявляемый способ является новым решением, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:The inventive method is a new solution having the following fundamental differences from the prototype:
- предложено коммутировать отводы нескольких первичных круговых обмоток, введя временную задержку между их коммутацией;- It is proposed to switch the taps of several primary circular windings by introducing a time delay between their switching;
- уровень выходного переменного многофазного напряжения плавно (без дискретности) регулируется длительностью временной задержки.- the level of the output alternating multiphase voltage is smoothly (without discreteness) regulated by the duration of the time delay.
Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - появлению возможности плавного регулирования выходного переменного напряжения при одновременном улучшении электромагнитной совместимости и повышении качества выходного напряжения.Thus, the set of essential features of the invention leads to a new technical result - the emergence of the possibility of smooth regulation of the output AC voltage while improving electromagnetic compatibility and improving the quality of the output voltage.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена схема преобразователя на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем. Здесь 1 - трехфазная обмотка, 2 - круговая обмотка с четырьмя отводами, 3 - коммутатор на ключах К1.1÷К4.2. На фигуре 2 изображен многоугольник ЭДС круговой обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем. Здесь 1÷4 - отводы круговой обмотки, Ud - напряжение диагонали круговой обмотки, U14÷U43 - ЭДС секций. На фигуре 3 изображена последовательность работы ключей полупроводникового коммутатора в инверторе на базе трансформатора с вращающимся полем при наличии одной круговой обмотки с 4 отводами. Здесь K1.1÷К4.2 - полупроводниковые ключи коммутатора. На фигуре 4 изображена форма выходного напряжения инвертора на базе трансформатора с вращающимся полем при наличии одной круговой обмотки с 4 отводами. На фигуре 5 изображена последовательность работы ключей полупроводникового коммутатора при наличии двух круговых обмоток с 4 отводами, управляемых с временной задержкой коммутации. Здесь Δt - временная задержка коммутации, K1.1÷К4.2 - полупроводниковые ключи коммутатора, Коммутатор №1 - полупроводниковый коммутатор первой круговой обмотки, Коммутатор №2 - полупроводниковый коммутатор второй круговой обмотки.A brief description of the drawings. The figure 1 shows a diagram of a transformer based on a transformer with a rotating magnetic field. Here 1 is a three-phase winding, 2 is a circular winding with four taps, 3 is a switch with keys K1.1 ÷ K4.2. The figure 2 shows the polygon EMF circular winding of a transformer with a rotating magnetic field. Here 1 ÷ 4 are the branches of the circular winding, U d is the voltage of the diagonal of the circular winding, U 14 ÷ U 43 is the EMF of the sections. The figure 3 shows the sequence of keys of a semiconductor switch in an inverter based on a transformer with a rotating field in the presence of one circular winding with 4 taps. Here K1.1 ÷ K4.2 are the semiconductor switches of the switch. The figure 4 shows the shape of the output voltage of the inverter based on a transformer with a rotating field in the presence of one circular winding with 4 taps. The figure 5 shows the sequence of the keys of the semiconductor switch in the presence of two circular windings with 4 taps, controlled with a time delay of switching. Here Δt is the switching delay time, K1.1 ÷ K4.2 are the semiconductor switches of the switch, Switch No. 1 is the semiconductor switch of the first circular winding, Switch No. 2 is the semiconductor switch of the second circular winding.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015117553/07A RU2584679C2 (en) | 2015-05-08 | 2015-05-08 | Method of inverting voltage |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015117553/07A RU2584679C2 (en) | 2015-05-08 | 2015-05-08 | Method of inverting voltage |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2015117553A RU2015117553A (en) | 2015-09-20 |
| RU2584679C2 true RU2584679C2 (en) | 2016-05-20 |
Family
ID=54147610
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015117553/07A RU2584679C2 (en) | 2015-05-08 | 2015-05-08 | Method of inverting voltage |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2584679C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2658641C1 (en) * | 2017-08-23 | 2018-06-22 | Акционерное общество "Корпорация "Стратегические пункты управления" АО "Корпорация "СПУ - ЦКБ ТМ" | Scott circuit based three-phase inverter |
| RU181223U1 (en) * | 2018-04-05 | 2018-07-06 | Евгений Николаевич Коптяев | LOW FAN INVERTER |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2619077C1 (en) * | 2015-11-30 | 2017-05-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова" (САФУ) | Method of regulating output voltage of controlled rectifier at basis of transformer with rotating magnetic field with any number of circular winding sections |
| RU2665686C2 (en) * | 2017-04-21 | 2018-09-04 | Евгений Николаевич Коптяев | Multipole ring winding |
| RU2665687C2 (en) * | 2017-04-28 | 2018-09-04 | Евгений Николаевич Коптяев | Improved multipole ring winding |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19611401A1 (en) * | 1996-03-22 | 1997-09-25 | Danfoss As | Frequency converter for an electric motor |
| RU2207696C2 (en) * | 2001-03-28 | 2003-06-27 | Открытое акционерное общество "Энергетический институт им. Г.М.Кржижановского" | Direct-current transformer |
| RU61963U1 (en) * | 2006-11-29 | 2007-03-10 | Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого | DC CONVERTER TO THREE PHASE AC |
-
2015
- 2015-05-08 RU RU2015117553/07A patent/RU2584679C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19611401A1 (en) * | 1996-03-22 | 1997-09-25 | Danfoss As | Frequency converter for an electric motor |
| RU2207696C2 (en) * | 2001-03-28 | 2003-06-27 | Открытое акционерное общество "Энергетический институт им. Г.М.Кржижановского" | Direct-current transformer |
| RU61963U1 (en) * | 2006-11-29 | 2007-03-10 | Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого | DC CONVERTER TO THREE PHASE AC |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2658641C1 (en) * | 2017-08-23 | 2018-06-22 | Акционерное общество "Корпорация "Стратегические пункты управления" АО "Корпорация "СПУ - ЦКБ ТМ" | Scott circuit based three-phase inverter |
| RU181223U1 (en) * | 2018-04-05 | 2018-07-06 | Евгений Николаевич Коптяев | LOW FAN INVERTER |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2015117553A (en) | 2015-09-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2584679C2 (en) | Method of inverting voltage | |
| Weidong et al. | A carrier-based virtual space vector modulation with active neutral-point voltage control for a neutral-point-clamped three-level inverter | |
| CN105048844B (en) | Pulse width modulation controlled for multi-level converter | |
| US10218285B2 (en) | Medium voltage hybrid multilevel converter and method for controlling a medium voltage hybrid multilevel converter | |
| MX2018010351A (en) | Multi-level high-speed adjustable speed drive. | |
| JPWO2019146124A1 (en) | Series multiplex inverter | |
| EP3046248B1 (en) | Modular embedded multi-level converter and method of use | |
| JP2011193583A (en) | Three-level power converter | |
| JPH07322634A (en) | Control method of inverter and inverter device | |
| RU2428783C1 (en) | Method of formation and control of high voltage of matrix cycloconverter of cascade type with high-frequency sine pulse-width modulation | |
| RU2639048C2 (en) | Method of frequency conversion | |
| JP5769555B2 (en) | AC-DC power converter control device | |
| Okumus et al. | Direct torque control of induction machine drives using adaptive hysteresis band for constant switching frequency | |
| RU2691635C2 (en) | Double-channel frequency conversion method | |
| JP2017500453A (en) | Resistance annealing furnace for annealing metal wires, strands, strings, wire rods or straps | |
| CN111279597A (en) | Control of delta-connected converters | |
| Behrouzian et al. | Individual capacitor voltage balancing in H-bridge cascaded multilevel STATCOM at zero current operating mode | |
| RU2680715C1 (en) | Power supply for inductor | |
| Foti et al. | A Novel Three-Phase Multilevel Inverter Topology with Reduced Device Count for Open-end Winding Motor Drives | |
| EA010412B1 (en) | The three-phase ac speed adjustable motor | |
| KR100202386B1 (en) | High Power Factor Single Phase Input Three Phase Induction Motor Drive | |
| RU2703984C2 (en) | Double-channel straightening method | |
| Kamashetty et al. | Implementation of Cycloconverter for Speed Control of Induction Motor | |
| Mehta | Simulation of Various Modulation Strategies for Induction Motor Drive | |
| RU2505918C2 (en) | High-voltage frequency-controlled electric drive |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190509 |