НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 2002 года по МПК H02M5/257 H02M5/27 

Изобретение относится к полупроводниковым преобразователям и может быть использовано для безтрансформаторного непосредственного преобразования трехфазного переменного напряжения. Такие преобразователи могут быть использованы в системах электропривода переменного тока или в системах генерирования переменного тока.

Известен непосредственный преобразователь частоты, образованный из совокупности 3-фазных мостовых схем выпрямления на ключах, к выходам схем подключаются фазы нагрузки, а соответствующие входы схем объединены и образуют входы трехфазного преобразователя частоты (Чехет Э.М. и др. Непосредственные преобразователи частоты для электропривода. - Киев: Наукова думка, 1988, c. 15, рис. 2г). В таком преобразователе коэффициент преобразования по напряжению может быть больше единицы (максимально - 1,65). В качестве ключей используются либо встречно-параллельно включенные запираемые тиристоры, либо транзисторы.

Однако указанный преобразователь довольно сложный, так как имеет большое число двунаправленных ключей с полным управлением (18 штук для трехфазных напряжений).

Известен также преобразователь, являющийся прототипом (Зиновьев Г.С., Попов В. И. Непосредственный преобразователь частоты. Патент РФ 2137283 от 27,02.98. БИ 25, 1999, рис. 1). Он содержит три группы (в общем случае - m групп) входных ключей, соединенных одними концами в звезду, а вторыми - объединенных между группами и образующих вход преобразователя частоты. В нем также присутствуют три накопительных дросселя, три накопительных конденсатора, три выходных фильтровых конденсатора, трехфазная мостовая схема выпрямления на диодах и однонаправленный выходной ключ. Такой преобразователь позволяет помимо регулирования частоты выходного напряжения, регулировать величину выходного напряжения как ниже, так и существенно выше величины входного напряжения.

Однако в указанном устройстве реализован алгоритм работы, который ухудшает форму тока сети, от которой питается преобразователь. Это происходит от того, что входной ток рвется входными ключами в тот момент, когда идет перекачка энергии из накопительных дросселей в накопительные конденсаторы и нагрузку. В результате во входном токе появляются бестоковые паузы, которые ухудшают спектр тока и уменьшают входной коэффициент мощности преобразователя.

Задачей предлагаемого изобретения является создание непосредственного преобразователя частоты с улучшенным гармоническим составом входного тока и повышенным входным коэффициентом мощности за счет улучшенной формы входного тока из-за исключения бестоковых пауз в нем.

Это достигается тем, что в 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, также накопительные дроссели и накопительные конденсаторы по числу n выходных фаз преобразователя и выходные фильтровые конденсаторы и n-фазную нагрузку, соединенные в звезду или многоугольник, введены n выходных фильтровых дросселей, две n-фазные мостовые схемы выпрямления на диодах и с однонаправленным ключом в каждой схеме, при этом входы первой n-фазной мостовой схемы выпрямления подключены к точкам соединения накопительных дросселей и накопительных конденсаторов, входы второй n-фазной мостовой схемы выпрямления подключены к точкам соединения вторых концов накопительных конденсаторов с выходными фильтровыми дросселями, а однонаправленные ключи в каждой схеме подключены к выходу своей n-фазной мостовой схемы выпрямления, причем накопительные дроссели подключены к каждой общей точке звезд входных ключей, а к каждой общей точке соединения выходного фильтрового дросселя и выходного фильтрового конденсатора подключена нагрузка.

На фиг.1 представлена схема преобразователя, рассматриваемого на примере преобразователя трехфазного входного напряжения в трехфазное выходное напряжение, то есть при m=n, а на фиг.2 - диаграммы его работы.

Предлагаемый непосредственный преобразователь частоты (фиг.1) содержит девять входных двунаправленных 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. Кроме того, он содержит три накопительных дросселя 2, три накопительных конденсатора 3, три выходных фильтровых дросселя 4, три выходных фильтровых конденсатора 5, причем все эти элементы в каждой фазе образуют последовательную ветвь каждой фазы преобразователя, а результирующие ветви соединены в звезду и подключены к соответствующей группе входных ключей 1. Три фазы нагрузки 6, соединенные в звезду или треугольник, подключены к точкам соединения выходных фильтровых дросселей и выходных фильтровых конденсаторов.

В преобразователь частоты введена также первая трехфазная мостовая схема выпрямления из шести диодов 7 с однонаправленным ключом 8 (например, транзистор или запираемый тиристор), включенным на выходе диодного моста, и вторая трехфазная мостовая схема выпрямления из шести диодов 9 с однонаправленным ключом 10 (например, транзистор или запираемый тиристор), включенный на выходе этого диодного моста. При этом первая трехфазная мостовая схема выпрямления своими входами переменного тока подключена к точкам соединения накопительных дросселей и конденсаторов каждой последовательной ветви фазы преобразователя, а вторая трехфазная мостовая схема выпрямления своими входами переменного тока подключена к точкам соединения накопительных конденсаторов и выходных фильтровых дросселей каждой последовательной ветви.

Непосредственный преобразователь частоты работает следующим образом. На входные ключи 1 подаются управляющие импульсы так, чтобы сформировать кривую напряжения, аналогичную напряжению в непосредственном преобразователе частоты с однократной модуляцией (см. Чехет Э.М. Непосредственные преобразователи частоты для электропривода. - Киев: Наукова думка, 1988, c. 15, рис. 2г). На выходах сборок ключей напряжение имеет вид, показанный на диаграмме фиг. 2а Для остальной части схемы можно выделить два этапа. Первый - когда замкнут ключ 8 первой трехфазной диодной мостовой схемы на диодах 7 и энергия запасается в накопительных дросселях 2, в то время как накопительные конденсаторы 3, имеющие общую точку через замкнувшийся диодный мост, питают нагрузку 6. Второй этап - когда замкнут ключ 10 второй трехфазной диодной мостовой схемы на диодах 9.

На этом этапе накопленная в накопительных дросселях 2 энергия передается в накопительные конденсаторы 3. Нагрузка 6 при этом питается от выходных фильтровых конденсаторов 5 и дросселей 4. Процесс, происходящий на этих двух этапах, отражен на диаграмме фиг. 2б, где показаны ток в накопительных дросселях 2 и напряжение в накопительных конденсаторах 3. Кривые имеют ярко выраженные пилообразные пульсации, демонстрирующие накопление и отдачу энергии. На каждом из этих этапов ключи 1 не рвут входную цепь преобразователя частоты, чем и обеспечивается непрерывность входного тока фиг.2г.

На диаграмме фиг.2в показано напряжение, поступающее на вход выходного дроссельно-конденсаторного фильтра и нагрузку. Оно имеет пульсации, которые сглаживаются элементами фильтра. После сглаживания на нагрузке выделяется уже приемлемая форма напряжения фиг.2г.

Таким образом, во входной цепи преобразователя ток протекает непрерывно, то есть имеет улучшенную форму, так как нулевые паузы в нем отсутствуют. В результате улучшается гармонический состав кривой входного тока и повышается входной коэффициент мощности.

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковым преобразователям и может быть использовано для безтрансформаторного непосредственного преобразования трехфазного переменного напряжения. Такие преобразователи могут быть использованы в системах электропривода переменного тока или в системах генерирования переменного тока. В классическую схему непосредственного преобразователя частоты введены n выходных фильтровых дросселей 4, две n-фазные мостовые схемы выпрямления на диодах 7 и 9 и с однонаправленным ключом 8 и 10 в каждой схеме, при этом входы первой n-фазной мостовой схемы выпрямления подключены к точкам соединения накопительных дросселей и накопительных конденсаторов, входы второй n-фазной мостовой схемы выпрямления подключены к точкам соединения вторых концов накопительных конденсаторов с выходными фильтровыми дросселями, а однонаправленные ключи в каждой схеме подключены к выходу своей n-фазной мостовой схемы выпрямления, причем накопительные дроссели подключены к каждой общей точке звезд входных ключей, а к каждой общей точке соединения выходного фильтрового дросселя и выходного фильтрового конденсатора подключена нагрузка. Во входной цепи преобразователя ток протекает непрерывно, то есть имеет улучшенную форму, так как нулевые паузы в нем отсутствуют. В результате улучшается гармонический состав кривой входного тока и повышается входной коэффициент мощности, что является техническим результатом. 2 ил.

Непосредственный преобразователь частоты, содержащий двунаправленные входные ключи, объединенные в группы, число n которых равно числу выходных фаз преобразователя, двунаправленные входные ключи соединены в каждой группе одними концами в общую точку и образуют m-фазную звезду, где m - число фаз входного напряжения, другие концы упомянутых ключей каждой группы соединены с соответствующими другими концами двунаправленных входных ключей всех других групп и образуют вход преобразователя частоты, также накопительные дроссели и накопительные конденсаторы по числу n выходных фаз преобразователя, а также выходные фильтровые конденсаторы и n-фазную нагрузку, соединенные в звезду или многоугольник, отличающийся тем, что в него введены n входных фильтровых дросселей и две n-фазные мостовые схемы выпрямления на диодах и с однонаправленным ключом в каждой схеме, при этом входы первой n-фазной мостовой схемы выпрямления подключены к точкам соединения накопительных дросселей и накопительных конденсаторов соответствующих выходных фаз, входы второй n-фазной мостовой схемы выпрямления подключены к точкам соединения вторых концов накопительных конденсаторов с выходными фильтровыми дросселями соответствующих выходных фаз, а однонаправленные ключи в каждой схеме подключены к выходу своей n-фазной мостовой схемы выпрямления, причем накопительные дроссели подключены к общей точке группы двунаправленных входных ключей соответствующей выходной фазы, а к каждой общей точке соединения выходного фильтрового дросселя и выходного фильтрового конденсатора подключены соответствующие фазы нагрузки.