НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 1999 года по МПК H02M5/257 H02M5/27 

Изобретение относится к области полупроводниковой преобразовательной техники и может быть использовано для бестрансформаторного непосредственного преобразования многофазного переменного напряжения одной частоты в многофазное переменное напряжение другой частоты, регулируемое как вниз, так и вверх от частоты входного напряжения, и с возможностью получения выходного напряжения большей величины, чем входное напряжение. Такие преобразователи применимы прежде всего для целей частотного регулирования электропривода переменного тока, а также в автономных системах, электрогенерирования переменного тока.

Известен непосредственный преобразователь частоты, образованный из совокупности, например, трех трехфазных мостовых схем выпрямления на ключах, к выходам схем подключаются фазы нагрузки, а соответствующие входы схем объединены и образуют входы трехфазного преобразователя частоты. Такой преобразователь характеризуется коэффициентом преобразования по напряжению меньше единицы, определяемым как отношение первой гармоники выходного напряжения к амплитуде первой гармоники линейного входного напряжения U (Э.М. Чехет, В.П. Мордач, В.И. Соболев. Непосредственные преобразователи частоты для электропривода. Киев: Наукова Думка, 1988, с. 15., рис. 2г). В качестве ключей можно использовать или встречно-параллельно включенные запираемые тиристоры, или транзисторы, включенные по схемам рис. 35, стр. 156 той же книги.

Однако указанный непосредственный преобразователь частоты является сложным, так как имеет большое число двунаправленных ключей с полным управлением (18 штук при трехфазном входном и трехфазном выходном напряжении).

Известен также непосредственный преобразователь частоты, являющийся прототипом (см. там же, рис. 2в), копия схемы которого приведена, содержащий в случае, например, трехфазного входного и трехфазного выходного напряжений по сравнению с предыдущей схемой в два раза меньшее число двунаправленных ключей, то есть всего девять ключей, образующих три звезды, получающих питание от общего входного источника трехфазного напряжения. Общие точки звезд ключей образуют трехфазный выход преобразователя, к которому подключается трехфазная нагрузка, соединенная звездой или треугольником.

Данный непосредственный преобразователь частоты позволяет получать частоту выходного напряжения как ниже, так и выше частоты входного напряжения. Однако данный преобразователь имеет ограниченные функциональные возможности, так как не позволяет получать величину выходного напряжения больше, чем величина входного напряжения.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание непосредственного преобразователя частоты, имеющего расширенные функциональные возможности, так как позволяет регулировать величину выходного напряжения как ниже величины входного напряжения, так и существенно выше, а также регулировать в определенных пределах входной коэффициент мощности.

Это достигается тем, что в известном непосредственном преобразователе частоты, например, трехфазного напряжения в трехфазное, содержащем три группы двунаправленных входных ключей, соответственно трем выходным фазам преобразователя, соединенные в каждой группе одними своими концами в звезду, а вторыми гонцами соответственно объединенные между группами и образующие вход преобразователя частоты, а также нагрузку, введены три накопительных дросселя, три двунаправленных выходных ключа, три накопительных конденсатора, при этом накопительные дросселя, соединенные в звезду или треугольник, подключены соответственно к каждой общей точке звезд двунаправленных, входных ключей, к ним же соответственно подключены одними своими концами три двунаправленных выходных ключа, ко вторым входам которых подключены три накопительных конденсатора, соединенные в звезду или треугольник, и три фазы нагрузки, соединенных в звезду или треугольник.

Также это достигается тем, что в предлагаемом непосредственном преобразователе частоты дополнительно могут быть введены трехфазная мостовая схема выпрямления на диодах и однонаправленный ключ, при этом входы трехфазной мостовой схемы выпрямления подключены к трем общим точкам группы входных ключей, а однонаправленный ключ подключен к выходу трехфазной мостовой схемы выпрямления.

Также это достигается тем, что входные ключи могут быть выполнены из встречно-параллельно включенных запираемых тиристоров, выходные ключи выполнены из встречно-параллельно включенных запираемого тиристора и диода, а однонаправленный ключ выполнен на запираемом тиристоре.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого непосредственного преобразователя частоты для случая, когда число входных фаз питающего напряжения и число выходных фаз равно трем. При произвольном (m) числе входных фаз число ключей в каждой группе должно быть равно числу входных фаз питающего напряжения.

На фиг. 2 приведена принципиальная схема НПЧ с дополнительным общим ключом.

На фиг. 3 приведена принципиальная схема непосредственного преобразователя частоты в случае выполнения ключей на запираемых тиристорах.

На фиг. 4 приведены временные диаграммы токов и напряжений предлагаемого преобразователя для случая трехфазного питающего напряжения.

Предлагаемый непосредственный преобразователь частоты содержит для случая, например, трехфазного питающего напряжения (фиг. 1) девять двунаправленных входных ключей 1, объединенных в три группы, соответственно трем выходным фазам преобразователя, соединенные в каждой группе одними своими зажимами в звезду, а вторыми зажимами ключей соответственно объединенные в группах и образующие вход преобразователя частоты. В преобразователь частоты введены три накопительных дросселя 2, три выходных ключа 3, три накопительных конденсатора 4, при этом накопительные дроссели соединены в звезду или треугольник и подключены к трем общим точкам звезд входных ключей, к каждой из них соответственно подключены одними своими концами три выходных ключа, ко вторым концам которых подключены накопительные конденсаторы, соединенные в звезду, а также три фазы нагрузки 5, тоже соединенные в звезду или треугольник.

Второе возможное использование непосредственного преобразователя частоты (фиг. 2) содержит дополнительно введенную трехфазную мостовую схему выпрямления на диодах 6-11, входы которой подколочены к трем общим точкам группы входных ключей, а к выходу схемы выпрямления подключен однонаправленный ключ 12 (например, транзистор или запираемый тиристор).

В третьем возможном исполнении непосредственного преобразователя частоты (фиг. 3) входные ключи 1 (фиг. 1) выполнены из встречно-параллельно включенных запираемых тиристоров 13 и 14, выходные ключи 3 (фиг. 1) выполнены из встречно-параллельно включенных запираемого тиристора 15 и диода 16.

Непосредственный преобразователь частоты работает следующим образом. Так как частота выходного напряжения преобразователя равна разности частоты питающей сети и частоты импульсов управления на входные ключи 1, то здесь для определенности рассмотрен случай, когда частота импульсов управления ниже (а не выше) частоты питающего напряжения, диаграммы напряжения которого для трех входных фаз A, B, C представлены на фиг. 4а. Первая, вторая и третья последовательности импульсов управления входными ключами представлены на фиг. 4б, в, г соответственно. Порядок подачи этих последовательностей импульсов управления на входные ключи 1 следующий.

На ключи 1 первой звезды ключей, образующих первую выходную фазу напряжения непосредственного преобразователя частоты последовательности импульсов управления подаются в прямом соответствии с их очередностью. То есть первая последовательность импульсов фиг. 4б подается на первый входной ключ 1 (связанный с фазой A входа) первой звезды ключей, вторая (фиг. 4в) - на второй входной ключ 1 (связанный с фазой В входа) первой звезды ключей, третья (фиг. 4с) - на третий входной ключ 1 (связанный с фазой С входа) первой звезды ключей, образующих первую выходную фазу напряжения преобразователя.

На входные ключи 1 второй звезды ключей (фиг. 1), образующих вторую выходную фазу напряжения непосредственного преобразователя частоты, последовательности импульсов управления подаются с соответствующим сдвигом, чтобы образовать требуемый сдвиг на треть периода выходной частоты второй выходной фазы напряжения преобразователя относительно первой выходной фазы напряжения преобразователя. Теперь первая импульсная последовательность фиг. 4б подается на второй входной ключ 1 (связанный с фазой В входа) второй звезды ключей (фиг. 1), вторая импульсная последовательность - на третий входной ключ 1 (связанный с фазой C входа) второй звезды ключей, третья импульсная последовательность - на первый входной ключ 1 (связанный с фазой A входа) второй звезды ключей.

На входные ключи 1 третьей звезды ключей (фиг. 1), образующих третью выходную фазу напряжения непосредственного преобразователя частоты, последовательности импульсов управления подаются также с очевидным сдвигом, чтобы образовать требуемый сдвиг на две трети периода выходной частоты третьей выходной фазы напряжения преобразователя относительно первой выходной фазы напряжения преобразователя. Здесь первая импульсная последовательность фиг. 4б подается на третий входной ключ 1 (связанный с фазой C) третьей звезды ключей (фиг. 1), вторая импульсная последовательность - на первый входной ключ 1 (связанный с фазой A входа) третьей звезды ключей, третья импульсная последовательность - на второй входной ключ 1 (связанный с фазой В входа) третьей звезды ключей.

При таком управлении в течение T₁ действия импульсов управления первой, второй или третьей последовательности импульсов управления (фиг. 4б, в, г), разделенных временем действия T₂ импульсов управления (фиг. 4д), предназначенных для управления выходным ключом 10 преобразователя, оказываются включенными по одному входному ключу в каждый из трех звезд ключей преобразователя. Под действием трехфазной системы напряжений на входах A, B, C преобразователя, приложенных к накопительным дросселям 2 (фиг. 1), в них нарастают токи и запасается энергия, как это показано на фиг. 4е для дросселя 2, связанному с нулевой точкой первой звезды входных ключей 1.

На интервале T₂ накопленная энергия из накопительных дросселей 2 передается в накопительные конденсаторы 3 соответствующих выходных фаз преобразователя. Это обеспечивается (после размыкания входных ключей 1) замыканием выходных ключей 3, под действием импульсов управления, показанных на фиг. 4д, при этом образуются замкнутые контуры из накопительных дросселей и накопительных конденсаторов. Напряжения на накопительных конденсаторах, тогда возрастает, как это показано для примера фиг. 4е для напряжения накопительного конденсатора 4 первой выходной фазы преобразователя.

Использование управляемого энергообмена между накопительными дросселями и накопительными конденсаторами в непосредственном преобразователе частоты, аналогично тому, как это делается в инвертирующем повышающем преобразователе постоянного напряжения в постоянное (см. Энергетическая электроника. Справочное пособие. М.: Энергия, с. 158, рис. З.66е, формула (3. 121)), позволяет регулировать величину первой гармоники выходного напряжения преобразователя, снимаемого с накопительных конденсаторов. При T₂/T₁ больше единицы коэффициент преобразования по напряжению становится больше единицы, и при T₂/T₁ стремящемся к бесконечности коэффициент преобразования также стремится к бесконечности (на холостом ходу преобразователя).

Известно, что входной коэффициент мощности непосредственного преобразователя частоты зависит от коэффициента мощности на выходе преобразователя и степени регулирования выходного напряжения (глубины модуляции), снижаясь при уменьшении последних.

Указанный недостаток непосредственного преобразователя частоты можно ослабить, а в определенных режимах и вообще исключить, если ввести в схему дополнительный трехфазный мостовой выпрямитель на диодах с однонаправленным промежуточным ключом на выходе выпрямителя, а своими входами выпрямитель подключить к точкам соединения входных ключей с накопительными дросселями, соединенными в звезду, как показано на фиг. 2. При этом между моментами окончания импульсов управления на входные ключи 1 и моментами начала импульсов управления на выходные ключи 3 вводятся паузы, в течение которых подаются импульсы управления на промежуточный ключ 12. Замыкание ключа 12 приводит к параллельному включению (через ключ 12 и соответствующие диоды 6-11 моста) трех накопительных дросселей. На интервале этой паузы токи в накопительных дросселях теоретически сохраняются неизменными, но практически медленно совпадают с постоянными времени, определяемыми добротностями дросселей (сопротивлением потерь).

Регулированием места (в цикле) и длительности этой паузы в периоде высокочастотной коммутации можно обеспечить в определенных пределах независимое регулирование величины выходного напряжения непосредственного преобразователя частоты и его входного коэффициента мощности.

Двунаправленные входные ключи выполняются или с использованием двух однонаправленных ключей (транзисторов, запираемых тиристоров), или с использованием одного однонаправленного ключа, включенного на выходе однофазного мостового диодного выпрямителя, как указывалось выше, что сложно и дорого. Для снижения стоимости и упрощения предлагается выполнить двунаправленный ключ встречно-параллельным соединением запираемых тиристоров, как показано на фиг. 3. Выходные ключи выполняются здесь путем встречно- параллельного включения запираемого тиристора и диода в случае рассматриваемого непосредственного преобразователя частоты.

Таким образом, предлагаемый непосредственный преобразователь частоты по сравнению с прототипом имеет то преимущество, что обладает расширенными функциональными возможностями, так как позволяет получать выходное напряжение как больше, так и меньше величины входного напряжения, а также позволяет регулировать в определенных пределах входной коэффициент мощности, независимо от выходного коэффициента мощности и величины выходного напряжения. При этом возможно и более простое выполнение выходных ключей.

Предложен непосредственный преобразователь частоты для целей регулируемого электропривода переменного тока и систем автономного электроснабжения. Преобразователь содержит m групп ключей, соответственно m₁ выходным фазам преобразователя, каждая из которых состоит из m-входных ключей, соответственно m₂-входным фазам питающего напряжения, соединенных в m-фазную звезду, m₁ накопительных дросселей, соединенных в звезду или треугольник и подключенных к нулевым точкам звезд входных ключей, m₁ выходных ключей, подключенных одними своими концами к тем же нулевым точкам, а вторыми m₁ накопительными конденсаторам, соединенным в звезду или треугольник. Выходное напряжение преобразователя снимается с накопительных конденсаторов. Преобразователь частоты обладает расширенными функциональными возможностями, то есть позволяет получать выходное напряжение как больше, так и меньше величины входного напряжения, что является техническим результатом. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Непосредственный преобразователь частоты, содержащий двунаправленные входные ключи, объединенные в группы, число которых m равно числу выходных фаз преобразователя, соединенные в каждой группе одними своими концами в многофазную звезду по числу фаз входного напряжения, а вторыми концами соответственно объединенные между группами и образующие вход преобразователя частоты, а также нагрузку, отличающийся тем, что в него введены m накопительных дросселей, m накопительных конденсаторов, m выходных ключей, при этом накопительные дроссели, соединенные в звезду или многоугольник, подключены соответственно к каждой общей точке звезд входных ключей, к ним же соответственно подключены одними своими концами m выходных ключей, ко вторым концам которых подключены m накопительных конденсаторов, соединенных в звезду или многоугольник, и m фаз нагрузки, также соединенных в звезду или многоугольник. 2. Непосредственный преобразователь частоты по п.1, отличающийся тем, что в него введены m-фазная мостовая схема выпрямления на диодах и однонаправленный ключ, при этом входы m-фазной мостовой схемы выпрямления подключены к соответствующим общим точкам m групп входных ключей, а однонаправленный ключ подключен к выходу m-фазной мостовой схемы выпрямления. 3. Непосредственный преобразователь частоты по п.1, отличающийся тем, что входные ключи выполнены из встречно-параллельно включенных запираемых тиристоров, выходные ключи выполнены из встречно-параллельно включенных запираемого тиристора и диода, а однонаправленный ключ выполнен на запираемом тиристоре.