НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 1996 года по МПК H02M5/27 H02P7/42 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для частотного управления электроприводами с трехфазными бесщеточными электрическими машинами, особенно от трехфазных сетей переменного тока.

Известен непосредственный преобразователь частоты (НПЧ), в котором кроме 18-ти основных подключающих вентилей (ОПВ), включенных между входными и выходными выводами, имеются еще дополнительные управляемые вентили (ДУВ), включенные попарно встречно-параллельно между выходными выводами [1]
По одному из вариантов попарно включенные ДУВ одним своим выводом образуют общую точку, а другим подключены к каждому выходному выводу преобразователя [1]
За счет использования в качестве ДУВ двухоперационных (запираемых по управлению) тиристоров, режим работы НПЧ [1] с искусственной коммутацией, что обеспечивает возможность плавного регулирования частоты f₂ выходного напряжения в пределах 0 <f₂ ≅ f₁.

К недостаткам НПЧ /1/ относится высокая стоимость запираемых тиристоров и других комплектующих, необходимых для их безотказной и надежной работы, а также пониженная надежность работы НПЧ в условиях резко изменяющейся нагрузки, невозможность регулирования среднего значения полуволн выходного напряжения, возможность работы только в случаях, когда коэффициент мощности нагрузки cos Φ > 0,5 и, следовательно, невозможность обеспечения работы с асинхронной машиной в тормозном режиме.

Известен и серийно выпускается НПЧ c естественной коммутацией (ЕК) типа ТТС /2/, предназначенный для преобразования трехфазного напряжения 380В cети f₁ 50 Гц в регулируемое по частоте от 3 до 20 Гц трехфазное напряжение с регулированием по выходному напряжению от 30 до 350В.

Преобразователь содержит три входных вывода для подключения к трехфазной сети и три выходных фазных вывода для подключения нагрузки в виде трехфазной асинхронной машины. Восемнадцать тиристоров включены между входными и выходными выводами и со стороны выходных выводов объединены в анодные и катодные группы. Блок управления обеспечивает включение тиристоров в необходимые моменты времени, фазовое регулирование выходного напряжения, раздельное подключение выходных фазных выводов (ФВ) к фазам источника питания (ИП) и инверторный режим, позволяющий использовать рекуперативное торможение асинхронной машины.

Cущественным недостатком этого НПЧ является ограничения диапазона плавного регулирования частоты f₂ 0,06 f₁ ≅ f₂ ≅ 0,43 f₁,что при f₁ 50 Гц соответствует 3 ≅ f₂ ≅ 21,5 Гц, а частота f₂ f₁ 50 Гц достигается за счет коммутаторного режима, при котором каждый ФВ подключается к своей фазе ИП с помощью пары встречно-параллельно соединенных вентилей. Это приводит к снижению установленной мощности преобразователя, так как из 18-ти тиристоров в этом режиме работают только 6.

Наиболее близким по технической сущности, выполняемой функции и системе управления,является НПЧ типа ТТС /2/.

Целью изобретения является расширение областей возможного применения НПЧ за счет расширения диапазона регулирования частоты f₂ выходного напряжения.

Достигается это за счет того, что в известном НПЧ, содержащем три входных вывода для подключения к фазам выходной обмотки трехфазного источника питания и при выходных вывода для подключения нагрузки в виде трехфазной бесщеточной электрической машины, основные подключающие управляемые вентили, включенные между входными и выходными выводами объединенные со стороны выходных выводов в анодные и катодные группы, блок управления обеспечивающий раздельное управление включением основных подключающих вентилей, фазное регулирование выходного напряжения и инверторный режим, содержащий формирователь сигналов полярности для каждого выходного вывода, входные выводы которого предназначены для подачи импульсного сигнала заданной частоты f₃₄ 6 f₂, где f₂ частота выходного напряжения, и сигналов задающих порядок чередования фаз на выходных выводах, узел синхронизации, входы которого подключены ко всем входным вводам, датчики состояния вентилей контролирующие их проводимость, входные выводы которых связаны с вентилями преобразователя, фазосмещающее устройство, обеспечивающее формирование и регулирование углов сдвига a-выпрямительного и b-инверторного режимов для передних фронтов включающих сигналов вентилей, которое своими входными выводами подключено к выходам узла синхронизации, узел управления включением вентилей, который связан своими выходными выводами с управляющими электродами основных подключающих вентилей, а своими входными выводами подключен к выходным выводам формирователя сигналов полярности, к выходным выводам формирователя сигналов полярности, к выходным выводам фазосмещающего устройства и датчиков состояния вентилей, введен блок из дополнительных управляемых вентилей, в качестве которых использованы однооперационные управляемые вентили, которые соединены между собой попарно встречно-параллельно и одним из своих выходных выводов объединены в общую точку, которая соединена с дополнительным выводом для подключения к нейтрали, включенной в звезду, выходной обмотки источника питания, а другим подключены к соответствующему выходному выводу, блок управления дополнительно содержит формирователь сигналов для включения дополнительных вентилей, связанный с их управляющими электродами своими выходными выводами, при этом, выводами задания полярности формирователь сигналов для включения дополнительных вентилей подключен к выходным выводам формирователя сигналов полярности, а выводы синхронизации подключены к выходам устройства синхронизации, выходы с датчиков состояния дополнительных вентилей подключены к дополнительным входам (фазосмещающего устройства обеспечивающего обязательное включение соответствующего основного подключающего вентиля после включения дополнительного вентиля, которое осуществляется при изменении полярности мгновенного значения фазного напряжения источника питания до момента изменения полярности сигнала на выходе формирователя сигналов полярности напряжения для этого выходного фазного вывода преобразователя, причем это второе включение основного подключающего вентиля осуществляется с углом a₂>α, где α₁ угол включения первого основного вентиля, который включался до включения дополнительного.

Кроме того, для снижения потерь в электрических машинах, подключаемых в качестве нагрузки к выходным фазным выводам преобразователя в диапазоне частот 0,6 f₁ <f₂ < f₁, когда разность в длительности полуволн напряжения достигает максимального значения, предусматривается выравнивание полуволн тока. С этой целью в блок управления введено счетно-сравнивающее устройство, входы которого подключены к выходам формирователя сигналов полярности, с которых поступают сигналы длительности Т₂/2 1/2 f₂ к выходам устройства синхронизации, с которых поступают сигналы длительностью Т₁/2 1/2 ₁, а также сигналы, фиксирующие моменты изменения полярности фазных напряжений источника питания, а его выходы подключены к дополнительному входу фазосмещающего устройства, обеспечивающего увеличение угла первого включения основного подключающего вентиля до значения α_1(дл)>α₁ и к дополнительному входу формирователя сигналов включения дополнительных вентилей, сигнал на котором обеспечивает последующее обязательное формирование сигнала на включение соответствующего дополнительного управляемого вентиля, причем формирование сигнала на выходах счетно-сравнивающего устройства происходит в случаях, когда Δt>t_ип, где: Δt Т₂/2-Т₁/2, а t_ин интервал времени между моментами изменения полярности сигнала на выходе формирователя сигналов полярности напряжения и моментом действительного изменения полярности напряжения на соответствующем выходном фазном выводе преобразователя.

Cущностью изобретения является именно введение дополнительных управляемых вентилей, в качестве которых использованы однооперационные управляемые вентили, которые соединены между собой попарно-параллельно к одним своим выводом объединены в общую точку, которая соединена с дополнительным входным выводом для подключения к нейтрали источника питания, а другим подключены к каждому выходному выводу НПЧ.

Включение дополнительных вентилей в моменты изменения полярности мгновенного значения питающего напряжения в течение полуволны выходного напряжения позволяет исключить появление пиков напряжения обратной полярности и за счет этого снизить пульсацию тока в фазах электрической машины в диапазоне низких частот, когда для снижения напряжения на выходе НПЧ увеличивают угол включения α основных подключающих вентилей и он становится больше p/3. За счет этого появляется возможность снижения нижнего предела регулирования частоты f₂.

Кроме того, включение ДУВ также в моменты изменения полярности мгновенного значения питающего напряжения позволяет выравнивать средние значения полуволн тока при их различной длительности, которое имеет место на выходе НПЧ с естественной коммутацией. Максимальное относительное значение - эта разница достигает на высоких частотах, в диапазоне 0,6 f₁ <f₂ < f₁ когда длительность "короткой" полуволны равна τ_к= T₂/2 δ = τ_дл/τ_к= а "длинной" τ_дл 5 Т₁/6 и относительная длительность δ = τ_дл= τ_к 5/3 ≈ 1,67. Любое промежуточное значение частоты f₂ в указанном диапазоне создается за счет циклов из полуволн, в котором только одна k₁-я полуволна "длинная", а все остальные -"короткие" или из циклов из k₂ полуволн, в которых все полуволны длинные, а k₂-я полуволна "короткая". Средняя длительность таких циклов будет в этих случаях (k₁ Т_1/2 + Т_1/3) k₁ Т_2/2 и K₂ (5Т_1/2 Т_1/3) K2 _2/2. Среднее значение частоты тогда определится как:
f₂ 3K₁f₁/(3K₁ + 2), (1)
и
f₂ 3k₂f₁/(5k₂ 2) (2)
Если циклы cостоят из двух полуволн, одна из которых "длинная", а другая "короткая", то оба соотношения дают один и тот же результат f₂ 3 f<Мv>1/4<D> для частот f₂>0,75f₁₂<k₁<∞ и тогда 0,75 f₁ <f₂ <f₁, а для частот f₂<0,75f₁₂<k₂<∞ и тогда 0,6 f₁ <f₂ <0,75 f₁, причем при k₁→ ∞ lim f₂= f₁, а при k₂→ ∞ lim f₂= 0,6f₁. Это позволяет расширить и верхний диапазон регулирования частоты f₂ до значений, приближающихся к частоте f₁, и при этом за счет протекания тока по всем 18 ОПВ значение допустимой нагрузки снижать не нужно.

Поскольку перечисленными возможностями не обладает ни один из известных НПЧ, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями, обеспечивающими достижение заданного положительного эффекта, данное техническое решение предложено как изобретение.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема силовой части преобразователя; на фиг. 2 структурная схема одного из возможных вариантов выполнения блока управления НПЧ; на фиг.3 и 4 временные диаграммы, поясняющие работу НПЧ.

Преобразователь (фиг.1) имеет выходные фазные выводы (ФВ) 1-3, основные входные выводы (ВВ) 4-6, группы 7-12 основных подключающих вентилей (ОПВ) 13-30, нечетные из которых входят в нечетные катодные группы 7,9,11, а четные ОПВ входят в четные анодные группы 8,10,12. Шесть дополнительных управляемых вентилей (ДУВ) 31-36 соединены попарно встречно-параллельно и одной своей общей точкой соединения подключены к ФВ 1-3, а другой к общей шине 37 и образуют блок ДУВ 38. В качестве ДУВ 31-36 использованы обычные однооперационные вентили, такие же, как и ОПВ 13-30. Нагрузку 39 в виде трехфазной бесщеточной электрической машины подключают к ФВ 1-3.

Блок управления 40 связан своими входами со всеми входными и выходными ФВ НПЧ. Для контроля токов протекающих по ФВ использованы датчики (трансформаторы) тока 41-43, а к общей шине 37 подключен дополнительный входной вывод (ДВВ) для подключения к нейтрали выходной обмотки 44 источника питания (ИП). В блоке 40 управления НПЧ может быть использована типовая схема управления 18 тиристорным НПЧ с естественной коммутацией, обеспечивающая раздельное управление включением вентилей, фазное регулирование выходного напряжения и инверторный режим, позволяющий использовать в качестве бесконтактной трехфазной электрической машины (ЭМ) 39 асинхронный короткозамкнутый двигатель не только в двигательном режиме, но и в режиме электрического торможения. Для примера, за основу выбрана система управления аналогичная той, что использована в серийно выпускаемых в течении более 10 лет преобразователях серии ТТС /2/ и дополнена соответствующими элементами для включения ДУВ и работы в диапазоне частоты f₂ выходного напряжения 0,6 f₁ ≅ f₂ <f₁
Блок управления 40 (фиг.2) содержит узел синхронизации (УС) 45, связанный своими входами со всеми входными выводами 4-6 и 37 НПЧ (фиг.1). В нем формируются сигналы полярности фазных напряжения ИП. Выходы УС 45 соединены со входами фазосдвигающего устройства (ФСУ) 46, предназначенного для фазового сдвига передних фронтов включающий импульсов, обеспечивающего регулирование выходного напряжения.

Формирователь сигналов полярности 47 напряжения (ФПН) для ФВ НПЧ формирует на своих выходных выводах парафазные сигналы V₁(+); V₁(-); V₂(+); V₂(-); V₃(+); V₃(-) длительностью Т₂/2 и сдвинутые на Т₂/3 ФПН 47 имеет ряд входов, определяющих его работу: вход задания частоты, на который поступает импульсный сигнал f₃₄, входы, определяющие чередование полярности сигналов на выходе ФПН 47 и тем самым порядок следования фаз на выходе НПЧ, чем обеспечивается реверсирование вращения электрической машины 39, обозначенные "ВП"-вперед и "НЗ"-назад.

Импульсный сигнал f₃₄ частотой, равной шестикратной частоте f₂ (f₃₄ 6f₁), может поступать из внешней относительно блока 40 системы управления электроприводом или с платы 48 задающих генераторов (ПЗГ).

В этом случае на размещенный на ПЗГ 48 генератор, формирующий сигнал f₃₄ из внешней цепи, подаются по соответствующим входам сигналы, задающие темп нарастания, снижения или поддержания на заданном уровне частоты сигнала f₃₄. Кроме того, на ПЗГ 48 может размещаться вспомогательный генератор измерительной частоты (ГИЧ), частота импульсного сигнала f₂₄₂, на выходе которого выбирается исходя из необходимой точности регулирования и может в несколько сот раз превосходить частоту ИП и с ним синхронизирована. Плата 49 датчиков состояния вентилей (ДСВ) содержит датчики, формирующие сигнал при проводимости (запирании) ОПВ. Для управления данным НПЧ плата 49 дополнена аналогичными датчиками для контроля состояния ДУВ.

Выходы ФПН 47, ФСУ 46, а также ДСВ 49 подключены ко входам платы 50 управления включением ОПВ. На этой плате размещены формирователи включающим импульсов для ОПВ, обеспечивающие их включение в соответствии с заданной полярностью напряжения для каждого ФВ включение ОПВ в выпрямительном или инверторном режиме с заданным углом α или b соответственно. Для гальванической развязки могут быть использованы выходные усилители 51-53 для включения ОПВ выходные усилители основных (ВУО), а для ДУВ выходные усилители 54 дополнительных (ВУД) вентилей. Они могут отсутствовать, в случае использования в качестве ОПВ и ДУВ оптотиристоров или оптотиристорных модулей типа МТОТО или иных управляемых вентилей со встроенной гальванически развязанной системой включения.

Формирователь 55 сигналов включения ДУВ (ФСД) связан своими входами с выходами УС 45, на которых формируются сигналы в моменты изменения полярности фазных напряжений с "+" на "-" и с "-" на "+", с платой 49 ДСВ, контролирующих состояние проводимости ОПВ и ФПН 47. За счет этих связей ФСД 55 формирует на своих выходных выводах включающие сигналы, в момент изменения полярности фазного напряжения, для того из ДУВ, который соединен с выходным ФВ НПЧ одноименным силовым электродом, что и проводящий ток ОПВ, подключающий этот ФВ к изменяющей полярность фазе ИП и тем самым исключающей появление импульса обратной полярности, если к тому времени не осуществлено переключение ОПВ. За счет этого исключается появление пиков обратной полярности напряжения в полуволне выходного напряжения при углах включения a>π/3
В случае, когда НЧП осуществляется регулирование частоты в диапазоне 0,6 f₁ <f₂ <f₁ и полуволны различную имеют длительность и размер τ_дл= 5 T₁/6 и τ_кор= T₁/2, второе после изменения полярности включение ОПВ для образования "длинной" полуволны осуществляется с углом α₂>α₁-угла первого включения ОПВ, причем π/3<α₂>α₁. Поэтому, если к моменту снижения напряжения до нуля на ФВ НПЧ с выхода 47 для этого ФВ не происходит изменение полярности сигнала, то на выходе ФСД 55 формируется сигнал для включения соответствующего ДУВ, который соединен с этим ФВ и проводящим ток ОПВ, одноименным силовым электродом. Включение ДУВ приводит к подключению этого ФВ к нейтрали ИП и сохранению на нем нулевого значения мгновенного напряжения, а также сохранению протекающего по ФВ тока вплоть до момента включения очередного ОПВ при угле α₂, которое обязательно осуществляется после изменения полярности сигнала на выходе ФПН 47 для ФВ, к которому подключен проводящий ток ДУВ, сигнал о проводимости которого поступает с выхода ДСВ 49 на соответствующий вход ФСУ 46 для увеличения угла включения ОПВ до значения α₂>α₁. Выравнивание средних значений полуволн тока при различной длительности полуволн напряжения и за счет этого снижение потерь в асинхронном двигателе, используемом в качестве нагрузки 39, может быть осуществлено за счет введения в блок управления 40 (фиг. 1) дополнительной платы 56 счетно-сравнивающего устройства (ССУ), один из выходов которого подключен к дополнительному входу ФСУ 46, а другой к дополнительному входу ФСД 55. Сигнал на выходе ССУ 56 одновременно формируется на обоих выходах и, поступая на вход ФСУ 46, приводит к увеличению угла первого включения ОПВ до значения α_1(дл)>α₁, а поступая на вход ФСД 55, запоминается и в последующем приводит к обязательному формированию сигнала на включение соответствующего ДУВ в момент изменения полярности мгновенного значения напряжения на ФВ НПЧ, которое в этом случае происходит до момента изменения полярности сигнала на выходе ФПН 46 для этого ФВ. Входы ОСУ 56 подключены к выходам ФПН 47, на которых формируются сигналы полярности полуволн выходного напряжения для каждого ФВ длительностью Т₂/2, к выходам УС 45, с которых поступают сигналы длительностью Т₁/2, а также сигналы, фиксирующие моменты изменения полярности фазных напряжений ИП, а также к выходу генератора измерительной частоты, если его импульсный сигнал используется для измерения интервалов времени t_им и Δt, где время t_им между моментами изменения полярности сигнала на выходе ФПН 47 и действительным изменением полярности напряжения на том же ФВ НПЧ, после которого начинается инвертирование реактивного тока, а время Δt Т₂/2-Т₁/2. Сравнение этих интервалов между собой приводит к формированию сигнала на выходах ССУ 56 в случаях, когда Δt > t_им.

Работа НПЧ на частотах f₂ < 3f₁ / 7 ничем не отличается от работы НПЧ серии ТТС /2/, когда в соответствии с сигналами полярности на выходах ФПН 47 включаются ОПВ тех групп (анодных или катодных), которые создают заданную полярность напряжения на ФВ 1-3 и при этом при угле включения ОПВ α<π/3 включение ДУВ не происходит.

На частотах f₂ <f_1/5 и при необходимости снижения выходного напряжения угол α возрастает до значений a>π/3. В этом случае в моменты изменения полярности мгновенных значений фазных напряжений ИП, которое происходит до изменения полярности сигнала на выходе 47 для этого ФВ, ФСД 55 формирует включающий сигнал для включения соответствующего ДУВ. Его включение исключает возникновение пика обратного напряжения и резкое снижение тока протекающего по ФВ до очередного включения ОПВ.

Аналогичный режим включения ДУВ осуществляется при использовании модуляции угла включения α и увеличения его до a>π/3 к концу полуволны. При работе НПЧ в диапазоне 0,6 f₁ <f₂ <f₁ включение ДУВ должно осуществляться при формировании каждой длинной полуволны.

На приведенных временных диаграммах (фиг.3,4) показаны фазные напряжения V_A, U_В, U_C на входных выводах 4-6 НПЧ, при подключении их к соответствующим фазам ИП, относительно которых синхронизированы все процессы, происходящие при работе НПЧ. Разнополярные импульсы с частотой 6 f₁ показаны, происходящими в моменты изменения полярности фазных напряжений ИП, а ниже на оси приведен импульсный сигнал f₃₄ 6 f₂ задающий частоту f₂ выходного напряжения (фиг.3). Напряжения на выходных ФВ 1-3 приведены вместе с сигналами полярности напряжения для этих ФВ.

Выбранная частота f₂ 0,75 f₁ является наиболее иллюстративной, т.к. позволяет показать все основные особенности работы системы управления НПЧ. При выбранной частоте f₂ все полуволны положительной полярности на ФВ 1 и 3 являются "длинными", а для ФВ2 наоборот - "короткими". Поэтому без выравнивания длительности полуволн тока по ФВ НПЧ будет протекать постоянная составляющая тока. Для исключения постоянной составляющей в токе, которая может возникнуть в случаях, когда f₂/f₁ выражается дробным числом с четным знаменателем, а в общем случае и субгармонической составляющей в токе, паузы в токе перед изменением его полярности в случае "длинных" полуволн напряжения больше, чем в случае "коротких" полуволн. Длительность сигналов полярности напряжения для каждого ФВ в точности равны трем интервалам между импульсами сигнала f₃₄, а изменение полярности напряжения на ФВ происходит одновременно с появлением соответствующего импульса 6f₁. При "длинной" полуволне изменение полярности фазных напряжений U_A, U_B, U_C (в интервале от t 0 до t Т₁/2) происходит до изменения полярности сигналов на выходе ФПН 47 для этих ФВ 1-3, а α₂≥π/3. Поэтому при угле α₃= π/6 (относительно момента естественной коммутации), в момент изменения полярности фазного напряжения ИП на соответствующий ДУВ с ФСД 56 поступает включающий сигнал. Включение ДУВ приводит к запиранию ранее проводившего ток ОПВ.

На фиг.4 приведены временные диаграммы не только фазных напряжений ИП и положительных сигналов на выходе ФПН 47, но и включающих импульсов с интервалами проводимости ОПВ 13-30 и ДУВ 30-36.

За момент t_о для всех временных диаграмм (фиг.3,4) принят момент изменения полярности напряжения фазы А с "-" на "+", к которой подключен входной вывод 4, и одновременный приход импульса сигнала f₃₄ 6₁, то интервалы между импульсами сигнала f₃₄ больше, чем между импульсами 6f₁, но при f₂ 3f_1 / 4 каждый четвертый импульс сигнала 6f₁ cовпадает с третьим импульсом сигнала f₃₄. Поэтому моменты изменения полярности сигнала на одном из выходов ФПН 47 (для ФВI) будут совпадать с моментом изменения полярности с "-" на "+" на одной из фаз ИП. Поэтому, в случаях, когда ФВI подключен с помощью одного из ОПВ (14,16 или 18) к фазе ИП изменяющей полярность с "-" на "+" одновременно с изменением полярности сигнала на выходе ФПН 47 для этого ФВ, включение ДУВ 32 не происходит и изменение полярности напряжения на ФВI происходит одновременно с изменением полярности сигнала на выходе ФПН 47 и t₃₄ 0. Поэтому предстоящая полуволна напряжения должна быть обязательно "длинной" и первое включение ОПВ после снижения до нуля реактивного тока ФВI должно осуществляться при α_1(дл)>α₁..При изменении полярности напряжения на фазе С, подключенной к входному выводу 6 (фиг.1), которое наступает в момент t Т₁/6 (фиг. 3) до изменения полярности сигнала на выходе ФПН 47 для ФВ3, осуществляется включение ДУВ 35, а проводивший ток ОПВ 29 запирается. Оба указанных вентиля подключены к ФВ3 своими одноименными силовыми электродами и входят в катодную группу вентилей. Ток i₃, протекающий по ФВ3, перед запиранием ОПВ 29 cохраняется и начинает протекать по ДУВ 35 и шине 37 от нейтрали 11 выходной обмотки 44 ИП (фиг.1). Еще через Т₁/6 изменяется полярность напряжения U₈ с "-" на "+" и опять это изменение происходит до момента изменения полярности сигнала на выходе ФПН 47 для этого ФВ (ФВ2). Поэтому включается ДУВ 34, а проводивший ток ОПВ 22 запирается. На отрезке времени до включения ОПВ 25 и запирания ДУВ 35 оба ФВ3 и ФВ2 оказываются подключенными к нейтрали 11 и замкнутыми между собой. Это приводит к снижению тока,протекающего по нейтрали, и даже к изменению его направления, так как за счет нарастания тока i₁, протекающего по ФВI /i₂/>/i₃/ и направлены в противоположных направлениях.

За время включенного состояния ДУВ происходит изменение полярности сигналов на выходе ФПН 47 для ФВ3 и ФВ2, но наличие проводящих ток ДУВ приводит к формированию сигнала для включения ОПВ 25 и ОПВ 24 при угле α₂>α₁ но α₂<5π/6, т. е. до момента смены полярности и при достаточном значении мгновенного напряжения для надежной коммутации токов с ранее включенных ДУВ на ОПВ. Изменение полярности напряжений на ФВ3 и ФВ2 происходит вместе с изменением полярности фазных напряжений U_АИ U_C соответственно, и всегда после изменения полярности сигналов на выходах ФПН 47 для этих ФВ. С изменением полярности напряжения начинается процесс инвертирования реактивного тока соответствующих ФВ. Предполагается, что за счет рационального выбора углов α₁ и α_2/ угол протекания реактивного тока Φ≅π/2 (от момента изменения полярности соответствующего напряжения). Поскольку интервалы времени t_им между моментами изменения полярности напряжения на выходах ФПН 47 для ФВ3, ФВ2 и ФВ1 и моментами действительного изменения полярности напряжения на этих ФВ в течение от t_о до 2Т₁, больше ΔT Т₂/2-Т₁/2, то последующие полуволны напряжений на этих ФВ короткие. Поэтому последующие включения ОПВ (26,23 и 16 для ФВ1) будут происходить при угле α₁ соответствующему "короткой" полуволне.

Рассмотренное включение ОПВ и ДУВ специфично только для f₂ 3f_1/4, при k₁ k₂ 2, т.е. когда длинные и короткие полуволны чередуются. При k₂>2 (2), количество "длинных" полуволн увеличивается и соответственно чаще происходит включение ДУВ, а частота f₂ снижается, стремясь к значению 0,6 f₁. При k₂>2 (1) увеличивается количество "коротких" полуволн, включение ДУВ происходит реже. Чем больше k₁,тем выше частота f₂f₁ и тем больше полуволн выходного напряжения, которые полностью совпадают по форме с фазным напряжением ИП. Тем меньше потери в трехфазной электрической машине, подключенной к выходным ФВ 1-3 (фиг.1), используемой в качестве нагрузки 37 НПЧ.

Это позволяет наиболее целесообразно использовать предлагаемый НПЧ в частотно-регулируемых электроприводах, в которых нагрузка возрастает с ростом частоты вращения, и особенно, если ее нарастание происходит пропорционально второй и более высокой степени от частоты, как например, в электроприводах вентиляторов и центробежных насосов. В этих приводах установка предлагаемого НПЧ не приведет к необходимости повышения мощности приводного асинхронного двигателя.

Инвертирование реактивного тока, особенно на частотах f₂ близких f₁, протекает достаточно надежно и устойчиво и не связано с коммутацией ОПВ, подключающих ФВ к различным фазам ИП. Поэтому другой возможной областью рационального применения данного НПЧ может явиться использование его для управления асинхронной машиной и сетью приливной электростанции. Как известно, электрическая машина в этом случае должна работать поочередно то в генераторном, то в двигательном режимах.

Использование: изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для частотного управления электроприводами с трехфазными бесщеточными электрическими машинами, особенно асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором, получающими питание от источников питаний (ИП) или трехфазных сетей с выведенной нейтралью. Сущность изобретения: изобретением является непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) с естественной коммутацией (ЕК), выполненный на 18-ти основных подключающих вентилях (ОПВ) и 6-ти дополнительных управляемых вентилях (ДУВ). Все используемые в преобразователе вентили являются обычными тиристорами, запирание которых происходит при снижении протекающего по ним тока до нуля. Подключение общей точки соединения ДУВ к нейтрали ИП позволяет не только снизить пульсацию фазных токов и за счет этого понизить нижний предел регулирования частоты f₂ выходного напряжения, но и повысить верхний предел диапазона регулирования частоты f₂ до значений сколь угодно близких частоте f₁ напряжения ИП. Особенностью НПИ является то, что при частоте f₂ > 0,8 f₁ с дальнейшим ростом частоты f₂ форма и симметрия выходного напряжения все более приближается к форме и симметрии напряжения ИП. Это позволяет особенно эффективно использовать НПЧ для частотного управления электроприводами, момент нагрузки в которых возрастает с ростом частоты вращения пропорционально ее квадрату, кубу или более высокой степени. Использование системы управления, обеспечивающей раздельное управление включением вентилей, фазное регулирование выходного напряжения и инверторный режим для электрического торможения асинхронных двигателей, а также сглаживание пульсации фазных токов и выравнивание интегральных значений из полуволн при различной длительности позволяет использовать НПЧ в приводах различного назначения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Непосредственный преобразователь частоты, содержащий три входных вывода для подключения к фазам выходной обмотки трехфазного источника питания и три выходных вывода для подключения нагрузки в виде трехфазной бесщеточной электрической машины, основные подключающие управляемые вентили, включенные между входными и выходными выводами, объединенные со стороны выходных выводов в анодные и катодные группы, блок управления, обеспечивающий раздельное управление включением вентилей, фазное регулирование выходного напряжения и инверторный режим, содержащий формирователь сигналов полярности для каждого выходного вывода, входные выводы которого предназначены для подключения импульсного сигнала заданной частоты f_з.ч 6f₂, где f₂ - частота выходного напряжения, и сигналов, задающих порядок чередования фаз на выходных выводах, узел сихронизации, входы которого подключены к всем входным выводам, датчики состояния вентилей, контролирующие их проводимость, входные выводы которых связаны с вентилями преобразователя, фазосмещающее устройство, обеспечивающее формирование и регулирование углов сдвига α-выпрямительного и b-инверторного режимов для передних фронтов включающих сигналов вентилей, которое своими входными выводами подключено к выходам узла синхронизации, узел управления включением вентилей, который связан своими выходными выводами с управляющими электродами основных подключающих вентилей, своими входными выводами подключен к выходным выводам формирователя сигналов полярности, фазосмещающего устройства и датчиков состояния вентилей, отличающийся тем, что в него введен блок из дополнительных управляемых вентилей, в качестве которых использованы однооперационные управляемые вентили, которые соединены между собой попарно встречно-параллельно и одним из своих выводов объединены в общую точку, которая соединена с дополнительным выводом для подключения к нейтрали включенной в звезду выходной обмотки источника питания, а другим подключены к соответствующему выходному выводу, блок управления дополнительно содержит формирователь сигналов для включения дополнительных управляемых вентилей, связанный с их управляющими электродами своими выходными выводами, при этом выводами задания полярности формирователь сигналов для включения дополнительных вентилей подключен к выходным выводам формирователя сигналов полярности, а выводы синхронизации к выходам устройства синхронизации, выходы датчиков состояния дополнительных вентилей подключены к дополнительным входам фазосмещающего устройства, обеспечивающего обязательное включение соответствующего основного подключающего вентиля после включения дополнительного управляемого вентиля с углом a₂>α₁, где α₁ угол включения первого основного подключающего вентиля, который включался до включения дополнительного, причем указанное включение дополнительного управляемого вентиля осуществляется при изменении полярности мгновенного значения фазного напряжения источника питания, если оно происходит до момента изменения полярности сигнала на выходе формирователя сигналов полярности напряжения для этого выходного фазного вывода преобразователя. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в блок управления введено счетно-сравнивающее устройство, входы которого, задающие длительность полуволны выходного напряжения, подключены к выходам формирователя сигналов полярности, а входы, задающие длительность полуволны напряжения источника питания, к выходам устройства синхронизации, в который введен дополнительный элемент, формирующий импульсные сигналы, фиксирующие моменты изменения полярности фазных напряжений источника питания, выход которого подключен к отдельному входу счетно-сравнивающего устройства, а выходы счетно-сравнивающего устройства подключены первый к дополнительному входу фазосмещающего устройства, обеспечивающего увеличение угла первого включения основного подключающего вентиля до значения α_1(дл)>α₁, а второй к дополнительному входу формирователя сигналов включения дополнительных вентилей, сигнал на котором обеспечивает последующее обязательное формирование сигнала на включение соответствующего вентиля, причем формирование сигнала на выходах счетно-сравнивающего устройства происходит в случае, когда Δt > t_и.п, где Δt разница в длительности полуволн напряжения на выходе, при их равенстве между собой и соответствии T₂/2 и полуволны напряжения источника питания T₁/2 Δt = T₂/2-T₁/2 , а t_и.п интервал времени между моментами изменения полярности сигнала на выходе формирователя сигналов полярности напряжения и моментом действительного изменения полярности напряжения на соответствующем выходном фазном выводе, T₂ 1/f₂ - период выходного напряжения заданной частоты f₂, T₁ 1/f₁ - период напряжения источника питания частотой f₁.