Analysis of a Two-Stage Thyristor Rectifier Topology with Parallel Bridges for Reactive Power Reduction

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorKomarov, V. F.
dc.contributor.authorRassokhina, Yu. V.
dc.date.accessioned2026-04-15T10:05:35Z
dc.date.available2026-04-15T10:05:35Z
dc.date.issued2026
dc.description.abstractHigh-power phase-controlled thyristor DC drives, despite their reliability, have a fundamental drawback: significant reactive power consumption from the supply network, especially in dynamic operating modes with large firing angles (α). This leads to a low Displacement Power Factor (DPF) and additional losses. This study analyzes a cost-effective novel two-stage thyristor rectifier topology proposed to mitigate this problem. The topology utilizes a special transformer with secondary winding taps (e.g., at 50% and 100% voltage) that feed two 6-pulse bridges (R1 and R2), connected in parallel to a common DC load. The system functions as a high-speed solid-state equivalent of an On-Load Tap Changer (OLTC). By sequentially engaging the bridges, the converter maintains small firing angles (α) over a wide output voltage range. A detailed analysis of the energy characteristics, based on a case study of a typical acceleration cycle for a high-inertia drive (hoisting machine), demonstrates the topology's energy efficiency. Compared to a conventional single-bridge thyristor rectifier, the two-stage scheme reduces the total reactive energy consumed per acceleration cycle by 51% (from 54.4 kVAr · h to 26.8 kVAr · h in the example). An additional advantage of the solution is the reduction of the Root-Mean-Square (RMS) primary winding current during the initial acceleration stage, which leads to lower active power (I2R) losses in the transformer and supply lines. A drawback of the considered commutation algorithm is the presence of a 'discontinuous current mode' in the transformer primary winding during the mixed-mode (simultaneous operation of R1 and R2), which significantly degrades the harmonic spectrum (THD) of the input current, making the converter non-compliant with power quality standards (e.g., IEEE 519). The study concludes that practically implementing this energy-efficient topology requires hardware adaptation, specifically through the design of a custom Inter-Phase Reactor (IPR) or integration into multi-pulse configurations, to mitigate harmonic distortion while preserving the reactive power benefits.
dc.description.abstractotherПотужнi фазокерованi тиристорнi електроприводи постiйного струму, незважаючи на їхню надiйнiсть, мають фундаментальний недолiк — значне споживання реактивної потужностi з мережi живлення, особливо в динамiчних режимах роботи при великих кутах керування (𝛼). Це призводить до низького коефiцiєнта зсуву (Displacement Power Factor, DPF) та додаткових втрат. Це дослiдження аналiзує економiчно ефективну нову топологiю двоступiнчастого тиристорного випрямляча, запропоновану для пом’якшення цiєї проблеми. Топологiя використовує спецiальний трансформатор iз вiдводами вiд вторинних обмоток (наприклад, на 50 % та 100 % напруги), якi живлять два 6-пульснi мости (R1 та R2), пiдключенi паралельно до спiльного навантаження постiйного струму. Система функцiонує як швидкодiючий твердотiльний аналог пристрою регулювання напруги пiд навантаженням. Завдяки послiдовному включенню мостiв у роботу перетворювач пiдтримує малi кути керування (𝛼) у широкому дiапазонi вихiдної напруги. Детальний аналiз енергетичних характеристик на прикладному дослiдженнi типового циклу розгону приводу з високою iнерцiєю (пiдiймальна машина) демонструє енергетичну ефективнiсть топологiї. Порiвняно зi звичайним одномостовим тиристорним випрямлячем, двоступiнчаста схема зменшує загальну реактивну енергiю, спожиту за цикл розгону, на 51 % (з 54.4 кВАр · год до 26.8 кВАр · год у прикладi). Додатковою перевагою рiшення є зниження дiючого (Root-Mean-Square, RMS) струму первинної обмотки на початковому етапi розгону, що призводить до зменшення активних втрат потужностi (𝐼 2𝑅) у трансформаторi та лiнiях живлення. Недолiком розглянутого алгоритму комутацiї є наявнiсть режиму «уривчастих» струмiв у первиннiй обмотцi трансформатора у змiшаному режимi (одночасна робота R1 та R2), що значно погiршує гармонiйний склад (Total Harmonic Distortion, THD) вхiдного струму, роблячи перетворювач невiдповiдним стандартам якостi електроенергiї (напр., IEEE 519). У роботi зроблено висновок, що практичне впровадження цiєї енергоефективної топологiї вимагає апаратної адаптацiї, зокрема проєктування спецiалiзованого мiжфазного реактора (Inter-Phase Reactor, IPR) або iнтеграцiї у багатопульснi конфiгурацiї, щоб нiвелювати гармонiйнi спотворення, зберiгаючи при цьому виграш у реактивнiй потужностi.
dc.format.pagerangeС. 94-102
dc.identifier.citationKomarov, V. F. Analysis of a Two-Stage Thyristor Rectifier Topology with Parallel Bridges for Reactive Power Reduction / Komarov V. F., Rassokhina Yu. V. // Вісник НТУУ «КПІ». Радіотехніка, радіоапаратобудування : збірник наукових праць. – 2026. – Вип. 103. – С. 94-102. – Бібліогр.: 23 назв.
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.64915/RADAP.2026.103.94-102
dc.identifier.orcid0000-0002-8797-1023
dc.identifier.orcid0000-0003-0538-8908
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/80183
dc.language.isoen
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.relation.ispartofВісник НТУУ «КПІ». Радіотехніка, радіоапаратобудування : збірник наукових праць, Вип. 103, 2026
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
dc.subjectphase-controlled rectifier
dc.subjecttwo-stage converter
dc.subjectparallel-bridge rectifier
dc.subjectreactive power
dc.subjectpower factor correction
dc.subjecthigh-power DC drives
dc.subjectфазокерований випрямляч
dc.subjectдвоступiнчастий перетворювач
dc.subjectвипрямляч з паралельними мостами
dc.subjectреактивна потужнiсть
dc.subjectкорекцiя коефiцiєнта потужностi
dc.subjectпотужнi електроприводи постiйного струму
dc.subject.udc621.314.632:621.313.2:621.3.016.25
dc.titleAnalysis of a Two-Stage Thyristor Rectifier Topology with Parallel Bridges for Reactive Power Reduction
dc.title.alternativeАналiз двоступiнчастої топологiї тиристорного випрямляча з паралельними мостами для зменшення споживання реактивної потужностi
dc.typeArticle

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
94-102.pdf
Розмір:
563.51 KB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Вісник НТУУ «КПІ». Радіотехніка, радіоапаратобудування : збірник наукових праць, Вип. 103