ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ 50 ГЦ В ОДНОФАЗНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ 60 ГЦ Российский патент 1994 года по МПК H02M5/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания от трехфазной сети 50 Гц устройств, для которых необходимо однофазное напряжение 60 Гц, применяемое в странах Америки и в Японии.

Известны преобразователи трехфазного напряжения одной частоты в однофазное напряжение другой частоты, содержащие трехфазный трансформатор с многофазной вторичной обмоткой и две вентильные группы, которые обеспечивают прохождение выходного тока в обоих направлениях с заданной частотой. Наиболее близким к предлагаемому преобразователю является преобразователь, содержащий трансформатор, имеющий трехфазную первичную и шестифазную вторичную обмотку, которая соединена в виде двойной звезды, и две группы вентилей, присоединенных к фазным выводам вторичной обмотки.

Выходное напряжение преобразователя, принятое за прототип, состоит за период из двух разнополярных блоков, каждый из которых близок к прямоугольнику (каждый блок - это выпрямленное напряжение одной группы вентилей на промежутке времени, близком к половине периода выходного напряжения). При такой форме выходное напряжение, кроме основной (первой) гармоники, содержит большие относительные значения высших гармоник: по отношению к первой гармонике третья гармоника составляет около 30% , пятая - 20% , седьмая - 14 и т. д. Коэффициент несинусоидальности выходного напряжения близок к 50% . Таким образом, недостатком прототипа является неудовлетворительный гармонический состав его выходного напряжения.

Целью изобретения является улучшение гармонического состава выходного напряжения, приближение его формы к синусоидальной.

Сущность изобретения состоит в том, что выходное напряжение 60 Гц формируется из смежных напряжений 50 Гц двенадцатифазной системы, причем в течение каждой половины периода частоты 60 Гц к выходу преобразователя подводится напряжение одной фазы двенадцатифазной системы, а переход на смежное опережающее напряжение другой фазы производится в момент, когда мгновенные значения напряжений этих фаз примерно равны. В результате выходное напряжение 60 Гц оказывается близким к синусоидальному, высшие гармоники в нем имеют малые относительные значения, коэффициент несинусоидальности на порядок меньше, чем у прототипа.

Для указанного формирования выходного напряжения 60 Гц преобразователь содержит два трансформатора, вторичные напряжения которых образуют двенадцатифазную симметричную систему. К двенадцати фазным выводам вторичных обмоток трансформаторов присоединены соответственно первые выводы двенадцати полностью управляемых ключей с двусторонней проводимостью, вторые выводы ключей соединены между собой и образуют один вывод преобразователя. Нулевые выводы вторичных обмоток трансформаторов соединены между собой и образуют другой вывод преобразователя. Устройства управления ключами обеспечивают последовательное переключение ключей, необходимое для формирования однофазного выходного напряжения 60 Гц.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - графики, поясняющие формирование однофазного напряжения 60 Гц.

Преобразователь содержит трансформаторы 1 и 2 и блок ключей 3. Трехфазные первичные обмотки 4 и 5 обоих трансформаторов соединены параллельно и подключены к источнику трехфазного напряжения частоты 50 Гц. Первичные обмотки 4 и 5 соединены соответственно звездой и треугольником. Каждый трансформатор имеет две трехфазные вторичные обмотки, соединенные в две обратные звезды. Нулевые выводы вторичных обмоток обоих трансформаторов соединены между собой и их общий вывод подключен к выходу преобразователя. Напряжения всех вторичных обмоток одинаковы по величине. В результате указанного выполнения трансформаторов 1 и 2 на их вторичной стороне между фазными выводами и общим нулевым выводом образуется двенадцатифазная симметричная система напряжений, векторная диаграмма 6 которой показана на фиг. 1. Обозначения векторов напряжений совпадает с обозначениями фазных выводов вторичных обмоток.

Блок ключей 3 содержит двенадцать полностью управляемых ключей с двусторонней проводимостью. Первые выводы двенадцати ключей соединены соответственно с двенадцатью выводами вторичных обмоток трансформаторов. Вторые выводы ключей соединены между собой и подключены к выходу преобразователя. Ключи К1-К12 пронумерованы в порядке их включения согласно векторной диаграмме напряжений 6. Ключу, соединенному с фазой а1, придан номер 1. Одно из возможных выполнений ключа показано на фиг. 1 (поз. 7). Ключ 7 содержит запираемый тиристор 8 и четыре диода 9, включенных по мостовой схеме.

Для получения на выходе преобразователя практически синусоидального напряжения 60 Гц между его выходными выводами может быть включен резонансный фильтр 10, настроенный на третью гармонику, имеющую наибольшую величину (около 4% от первой гармоники).

Формиpование однофазного напряжения 60 Гц показано на оси времени 11 фиг. 2. Относительно этой оси построены синусоида напряжения U(в4) фазы в4 и частично синусоиды напряжений U(a1), U(в3) и U(с2) соответственно фаз а1, в3 и с2 вторичных обмоток трансформаторов 1 и 2 (фиг. 1). Фазовые сдвиги этих напряжений соответствуют векторной диаграмме 6. Выходное напряжение U_вых на первом промежутке времени до момента t₁ образуется напряжением U(a1), на промежутке t₁t₂ - напряжением U(в4), на промежутке t₂t₃ - напряжением U(в3) и на следующем промежутке после момента t₃ - напряжением U(c2). Длительность каждого промежутка времени (t₁t₂, t₂t₃ и других) равна 1/120 с или половине периода частоты 60 Гц. Переход от напряжения одной фазы двенадцатифазной системы к напряжению другой смежной и опережающей фазы производится примерно в моменты времени, когда мгновенные значения этих напряжений равны. В результате, как видно на фиг. 2, образуется кривая выходного напряжения U_вых, имеющего период равный 1/60 с или частоту 60 Гц (кривая выходного напряжения выделена более толстой линией). По своей форме кривая выходного напряжения близка к синусоиде.

На осях времени 12 и 13 фиг. 2 показаны примерные формы импульсов управления И1-И4, которые поступают к управляющим электродам запираемых тиристоров 8 соответственно ключей К1-К4 (фиг. 1). В первом промежутке времени до момента t₁ на тиристор ключа К1 подан положительный импульс управления И1, ключ К1 включен, к выходу преобразователя подведено напряжение U(a1); через ключ К1 проходит ток нагрузки преобразователя, полярность которого может измениться в течение этого промежутка времени. Перед моментом t₁ с малым опережением положительным импульсом И2 включается ключ К2, а в момент t₁ возникает отрицательный импульс И1 и происходит отключение ключа К1 (запирается тиристор этого ключа). В результате этого на промежутке t₁t₂ в течение половины периода частоты 60 Гц (в течение 1/120 с) к выходу преобразователя подводится напряжение U(в4). В момент t₂ отключается ключ K2 и включается ключ К3 (импульсом И3). В момент t₃ аналогично происходит переключение ключей К3 и К4. Полный цикл переключения всех двенадцати ключей блока 3 (фиг. 1) продолжается в течение 0,1 с (5 периодов частоты 50 Гц или 6 периодов частоты 60 Гц).

Разложение кривой выходного напряжения в ряд гармоник дает результаты, помещенные в таблице.

Коэффициент несинусоидальности выходного напряжения
K_НС= = ·100 = 4.0%
Таким образом, по величине коэффициента несинусоидальности выходное напряжение предлагаемого преобразователя удовлетворяет ГОСТ 13109-87 на качество электроэнергии (нормальное значение К_НС равно 5% ). Цель изобретения - улучшение гармонического состава выходного напряжения - достигнута.

При необходимости еще лучшего приближения кривой выходного напряжения к синусоиде на выходе преобразователя включается резонансный фильтр 10 (фиг. 1), настроенный на частоту третьей гармоники, т. е. на 180 Гц. Этим фильтром практически исключается третья гармоника и уменьшаются другие высшие гармоники выходного напряжения. (56) Жемеров Г. Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью. М. : Энергия, 1977, 280 с.

Изобретение предназначено для питания от трехфазной сети 50 Гц устройств, для которых необходимо однофазное напряжение 60 Гц. Сущность изобретения: преобразователь содержит два трансформатора с трехфазной первичной и шестифазной вторичной обмоткой, соединенной в две обратные звезды, и блок из двенадцати полностью управляемых ключей с двусторонней проводимостью. Первичная обмотка одного трансформатора соединена звездой, а другого - треугольником. На вторичной стороне обоих трансформаторов образована двенадцатифазная симметричная система напряжений. Каждый ключ соединен с выводом одной фазы вторичных обмоток. К выходу преобразователя подключены общая точка ключей и общий нулевой вывод вторичных обмоток. Каждый ключ подводит к выходу преобразователя напряжение одной фазы двенадцатифазной системы в течение половины периода частоты 60 Гц. Переключение каждой пары ключей производится в момент, когда подведенное к выходу напряжение примерно равно напряжению смежной опережающей фазы по мгновенным значениям. Достоинство преобразователя - получение выходного напряжения, близкого к синусоидальному, с малым содержанием высших гармоник. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ 50 ГЦ В ОДНОФАЗНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ 60 ГЦ, содержащий трансформатор, имеющий трехфазную первичную и шестифазную вторичную обмотки, соединенные в виде двойной звезды, полностью управляемые ключи с двусторонней проводимостью и устройство управления ключами, отличающийся тем, что с целью улучшения гармонического состава выходного напряжения, дополнительно введен второй трансформатор, шестифазная вторичная обмотка которого соединена по той же схеме, что и вторичная обмотка первого трансформатора, а его трехфазная первичная обмотка соединена по схеме, обеспечивающей получение на вторичной стороне обоих трансформаторов двенадцатифазной симметричной системы напряжений, причем к двенадцати выводам вторичных обмоток трансформатора присоединены соответственно первые выводы двенадцати указанных ключей, вторые выводы которых соединены между собой и образуют один из выходных выводов для подключения нагрузки, нулевые выводы вторичных обмоток трансформаторов соединены между собой и образуют другой выходной вывод, а устройство управления ключами выполнено обеспечивающим последовательное включение и отключение ключей так, что каждый ключ подводит к выходу преобразователя свое фазное напряжение в течение половины периода частоты 60 Гц, а переключение каждой пары ключей происходит в момент, когда подведенное к выходу напряжение становится примерно равным напряжению смежной опережающей фазы по мгновенным значениям. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что с целью получения практически синусоидального выходного напряжения, между его выходными выводами включен резонансный фильтр, настроенный на частоту 180 Гц.