НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 2003 года по МПК H02M5/27 

Изобретение относится к полупроводниковым преобразователям электрической энергии, предназначенным для преобразования рода тока и (или) уровня напряжения как в сторону повышения, так и в сторону понижения. Такие преобразователи, имея возможность связывать сети переменно-переменного тока, переменно-постоянного тока, могут быть использованы для систем автономного электроснабжения и для регулируемого электропривода переменного и постоянного тока.

Известен непосредственный преобразователь частоты, образованный из совокупности трехфазных 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. - Киев: Наукова Думка, 1988, с.15, рис. 2г). В таком преобразователе коэффициент преобразования по напряжению может быть несколько больше единицы (максимально - 1,65). В качестве ключей используются либо встречно-параллельно включенные запираемые тиристоры, либо транзисторы.

Однако указанный преобразователь имеет ограниченные возможности по повышению коэффициента преобразования по напряжению.

Известен также непосредственный преобразователь частоты (Зиновьев Г.С., Левин Е. Ю. Повышающе-понижающие непосредственные преобразователи частоты. Труды V международной конференции АПЭП-2000. T.1. Новосибирск, 2000, с. 267-270, рис.4). Хотя в указанной статье была приведена только схема непосредственного преобразователя по нулевой (однополупериодной) схеме, но очевидна возможность использования предложенного там решения и для непосредственного преобразователя частоты по мостовой схеме. В общем случае многофазного выхода непосредственный преобразователь частоты будет содержать число таких однофазных по выходу схем, равное числу требуемых выходных фаз преобразователя. При этом электрическая несвязанность отдельных фаз нагрузки многофазного по выходу преобразователя и соответственно автономность их работы позволяет рассмотреть работу многофазного по выходу непосредственного преобразователя частоты для его одной выходной фазы. Этот преобразователь принят за прототип. Он содержит трехфазную мостовую схему на ключах, два накопительных дросселя и накопительный конденсатор, два дополнительных ключа, причем последовательная цепь из первого накопительного дросселя, накопительного конденсатора, второго накопительного дросселя включена между первым выходом трехфазной мостовой схемы на ключах и первым выходом фазы преобразователя, а дополнительные ключи подключены одними своими концами ко второму выходу трехфазной мостовой схемы, являющимся вторым выходом фазы преобразователя, а другими своими концами подключены соответственно к точке соединения первого накопительного дросселя и накопительного конденсатора и к точке соединения накопительного конденсатора со вторым накопительным дросселем. Все ключи являются управляемыми при любом направлении тока через них и могут быть выполнены или на встречно-параллельно включенных GTО-тиристорах или на транзисторах по любой из известных схем (Чехет Э.М. и др. Непосредственные преобразователи частоты. - Киев: Наукова Думка, 1988, с.15, рис.2г).

Однако в указанном устройстве по трехфазной мостовой схеме реализован алгоритм работы ключей, что и в нулевой (однополупериодной) схеме. Хотя переход от однополупериодной схемы преобразования к двухполупериодной улучшает качество входного тока преобразователя за счет некоторого улучшения его гармонического состава, но и здесь гармонический состав входного тока не является высококачественным, так как во входном токе остаются скачки тока в моменты коммутации ключей. Так как все реальные источники входного напряжения преобразователя имеют собственную индуктивность, то для исключения перенапряжений потребуется включение между источником входного напряжения и преобразователем еще входного LC-фильтра, через который будут замыкаться скачки входного тока преобразователя. Также в указанном устройстве сохранится сдвиг фазы входного тока преобразователя от входного напряжения, что по-прежнему будет снижать входной коэффициент мощности.

Задачей предлагаемого изобретения является создание непосредственного преобразователя частоты с улучшенным гармоническим составом входного тока и более высоким значением входного коэффициента мощности.

Это достигается тем, что в непосредственный преобразователь частоты, содержащий трехфазную мостовую схему на двунаправленных ключах, накопительную цепь, состоящую из конденсатора и выходного реактора, соединенных последовательно, к точке соединения которых подключен двунаправленный ключ, причем другие концы накопительного реактора и указанного ключа образуют выход непосредственного преобразователя частоты, введены три дополнительных накопительных реактора, одни концы которых подключены к входам переменного тока трехфазной мостовой схемы на ключах, вторые концы которых образуют входные зажимы преобразователя, а к двум общим точкам звезд ключей трехфазной мостовой схемы подключены соответственно первый конец накопительного конденсатора и второй конец ключа накопительной цепи.

На фиг. 1 представлена схема непосредственного преобразователя частоты, рассматриваемого на примере преобразователя трехфазного входного напряжения в однофазное выходное; на фиг.2 - диаграммы его работы.

Предлагаемый непосредственный преобразователь частоты (фиг.1) содержит три входных накопительных реактора 1-3, одни концы которых образуют входы преобразователя частоты, а другие концы реакторов подключены ко входам переменного тока трехфазной мостовой схемы на ключах 4-9. Кроме того, он содержит накопительный конденсатор 10 и выходной накопительный реактор 11, соединенные последовательно, причем первый конец накопительного конденсатора подключен к одной общей точке звезды из трех ключей мостовой схемы, а второй конец накопительного реактора образует первый выходной вывод преобразователя, а вторым выходным выводом преобразователя служит вторая общая точка звезды из трех ключей мостовой схемы, к которой также подключен одним своим выводом двунаправленный ключ 12 накопительной цепи, второй вывод которого подключен к точке соединения накопительного конденсатора 10 с выходным накопительным реактором 11.

Непосредственный преобразователь частоты работает следующим образом. Для облегчения изложения принципа работы схемы сначала рассмотрим случай получения на выходе непосредственного преобразователя напряжения нулевой частоты, то есть постоянного напряжения в полярности, обозначенной на выходных выводах непосредственного преобразователя знаками в скобках (фиг.1). Для получения формы входного тока преобразователя, близкой к синусоидальной, ключами трехфазной мостовой схемы необходимо управлять любым известным способом синусоидальной широтно-импульсной модуляции (см., например, Зиновьев Г. С. Прямые методы расчета энергетических показателей вентильных преобразователей. Новосибирск: НГУ, 1990, с.124-156).

На время формирования нулевой паузы в фазных напряжениях инвертора, что происходит при одновременном наличии сигналов управления на всех трех ключах одной звезды ключей трехфазного моста (звезда ключей 4, 5, 6 или 7, 8, 9), подаются дополнительные сигналы на включение ключей другой звезды. Сигналы управления с ключа 12 на это время снимаются.

На время указанной нулевой паузы схема преобразователя частоты как бы "распадается" на две независимые подсхемы. Первая подсхема образована замыканием трехфазной системы входных напряжений преобразователя на звезду трех входных накопительных реакторов через проводящие ключи трехфазной мостовой схемы. При этом в этих реакторах будет запасаться энергия за счет нарастания тока в них. Вторая подсхема образуется из последовательно включенных накопительного конденсатора 10, выходного накопительного реактора 11, цепи нагрузки и всех включенных ключей 4-9 трехфазной мостовой схемы. Происходит отбор энергии из накопительного конденсатора 10 в нагрузку и в выходной накопительный реактор 11, при этом конденсатор разряжается, как это видно из второй диаграммы фиг.2 на интервале t₁.

Во время формирования импульсов фазных напряжений инвертора на интервале t₂ включен ключ 12 накопительной цепи. При этом схема преобразователя снова "распадается" на две другие независимые подсхемы. Первая подсхема образуется из источников входных напряжений преобразователя, трех входных накопительных реакторов 1-3, трех проводящих ключей трехфазной мостовой схемы (один из ключей одной звезды и два ключа другой звезды ключей мостовой схемы), накопительного конденсатора 10, ключа 12. При этом энергия из входных накопительных реакторов передается в накопительный конденсатор и он заряжается, восполняя потери своей энергии на первом интервале. Вторая подсхема образуется из выходного накопительного реактора 11, цепи нагрузки и включенного ключа 12 накопительной цепи и ток нагрузки поддерживается за счет энергии выходного накопительного реактора, как видно из третьей диаграммы фиг.2 на интервале t₂.

Для того чтобы первая гармоника входного тока I непосредственного преобразователя была в фазе с входным напряжением U_вх преобразователя частоты, соотношение между фазным напряжением инвертора напряжения U_и (которому в данном режиме получается эквивалентным непосредственный преобразователь частоты) и входным напряжением преобразователя должно поддерживаться в соответствии с векторной диаграммой для указанных величин, приведенной на фиг.3. Здесь U_L - напряжение первой гармоники на входном накопительном реакторе.

Если трехфазную входную цепь преобразователя частоты привести к эквивалентной цепи постоянного тока, где находится накопительный конденсатор 10, то эквивалентная схема замещения преобразователя частоты будет иметь вид, представленный на фиг. 4, где выходная цепь преобразователя нагружена на противоЭДС нагрузки U_вых. Здесь эквивалентный ключ трехфазного моста обозначен как ключ (4-9). Видна симметрия схемы для любого направления потока активной мощности: или из U_вх.экв в U_вых, как было рассмотрено выше, или в обратном направлении, если указанные источники напряжений меняются своими функциями. Здесь имеем классический вариант рекуперативного преобразователя постоянного напряжения в постоянное по схеме Кука (Севернc Р., Блум. Импульсные преобразователи постоянного напряжения. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с.142).

Очевидно, что для получения другой полярности выходного напряжения преобразователя частоты в рассматриваемом режиме нулевой выходной частоты, необходимо взаимно поменять последовательности импульсов управления ключами одной звезды трехфазного моста на последовательности импульсов управления ключами другой звезды трехфазного моста, то есть импульсы для ключей 4-6 на импульсы для ключей 7-9 и наоборот.

Из вышеприведенной книги Севернса Р. известно, что величина выходного напряжения в повышающе-понижающем преобразователе Кука почти линейно зависит от относительной длительности интервала t₁ в длительности периода такта коммутации (t₁-t₂) для значений относительной длительности в диапазоне

Отсюда следует, что если модулировать t*₁ по соответствующему закону, близкому к синусоидальному (по модулю), и переключать по полуволнам этого модулирующего сигнала последовательности импульсов управления ключами двух звезд мостовой схемы (как было сказано выше), то на выходе преобразователя получится изменение напряжения в обеих его полярностях по форме, близкой к гармоническому закону, то есть получится практически синусоидальное выходное напряжение с частотой, определяемой половиной частоты модуляции t*₁. (Заметим, что при использовании следящего метода управления преобразователем частоты можно сформировать изменение гладкой составляющей его выходного напряжения точно по синусоидальному закону). При этом необходимо регулировать и фазовый сдвиг фазного напряжения инвертора так, чтобы на векторной диаграмме фиг. 3 конец этого вектора U_и скользил по прямой АБ. Тогда входной ток преобразователя частоты будет оставаться все время в фазе с входным напряжением преобразователя.

Таким образом, предлагаемый непосредственный преобразователь частоты позволяет получить на выходе практически синусоидальное напряжение, если частота коммутаций при широтно-импульсной модуляции (ШИМ), определяемая обратной величиной периода коммутации t₁-t₂, будет заметно выше частоты первой гармоники выходного напряжения. При этом и входной ток преобразователя будет без скачков и по форме близок к синусоидальному за счет его ШИМ формирования по синусоидальному закону, а его фаза в соответствии с векторной диаграммой фиг. 3 будет нулевой по отношению к входному напряжению преобразователя частоты. Это будет означать наличие улучшенного гармонического состава входного тока преобразователя и более высокое значение входного коэффициента мощности, практически равного единице.

Непосредственный преобразователь частоты повышающе-понижающего типа прежде всего рационален в системах автономного электроснабжения. Непосредственный преобразователь частоты - многофазный по выходу - представляет собой устройство, состоящее из однотипных ячеек преобразования трехфазного напряжения в однофазное, каждая из которых содержит три входных накопительных реактора 1-3 на входе трехфазной мостовой схемы на ключах 4-9, накопительного конденсатора 10, выходного накопительного реактора 11 и ключа 12 выходной накопительной цепи. В таком преобразователе возможно получение практически синусоидального входного тока, синфазного с входным напряжением, при качественном синусоидальном или постоянном выходном напряжении с возможностью его реверса и обеспечение единичного входного коэффициента мощности, что является техническим результатом. 4 ил.

Непосредственный преобразователь частоты, содержащий трехфазную мостовую схему на двунаправленных ключах, накопительную цепь, состоящую из конденсатора и выходного реактора, соединенных последовательно, к точке соединения которых подключен двунаправленный ключ, причем вторые концы выходного реактора и указанного двунаправленного ключа образуют выход непосредственного преобразователя частоты, отличающийся тем, что в него введены три дополнительных входных накопительных реактора, одни концы которых подключены к соответствующим входам переменного тока трехфазной мостовой схемы на двунаправленных ключах, вторые концы входных накопительных реакторов образуют входные зажимы непосредственного преобразователя частоты, к одной общей точке трех двунаправленных ключей трехфазной мостовой схемы подключен первый конец конденсатора, а ко второй общей точке трех двунаправленных ключей трехфазной мостовой схемы подключен второй конец двунаправленного ключа накопительной цепи.