УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЦЕПЬЮ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2004 года по МПК H02M1/12 

Область техники
Изобретение относится к электронным схемам питания. Изобретение направлено на устройство преобразовательной цепи, заявляемое в ограничительной части первого пункта формулы изобретения.

Уровень техники
Устройства преобразовательных цепей известного типа описаны, например, в Европейских патентных заявках ЕР 0682402 и ЕР 0758161 и также в выложенном описании заявки Германии DE 19607201 A1. Устройство преобразовательной цепи такого типа имеет первый преобразователь, который выполнен с возможностью подключения - предпочтительно через трансформатор - к сети источника трехфазного напряжения. Первый преобразователь преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, но в то же время может также обеспечить поступление питания в обоих направлениях. Напряжение постоянного тока запитывает промежуточную цепь постоянного тока, которая по существу состоит из батареи конденсаторов. Промежуточную цепь постоянного тока подключают ко второму преобразователю, который возбуждает нагрузку, например двигатель. Двигатель, в частности, является машиной с вращающимся индуктором.

В настоящее время преобразователи частоты с промежуточной цепью постоянного тока (U-преобразователи), как правило, применяются для возбуждения машин с вращающимся индуктором. Вследствие принципа своего действия эти преобразователи помимо требуемого сбалансированного трехфазного напряжения также всегда производят нежелательное, но неизбежное, несбалансированное т.н. синфазное напряжение. Это синфазное напряжение возбуждает блуждающие токи, которые появляются при наличии паразитных емкостей между преобразователем и заземлением (в основном вызываемых экранированными кабелями), которые постоянно заряжаются и разряжаются синфазным напряжением. Путь тока замыкания на землю (блуждающего тока) образуется следующей последовательностью: преобразователь - точка заземления - система заземляющего провода - паразитные емкости заземления - преобразователь.

Современные системы конструируют таким образом, чтобы они имели по возможности минимальные потери. Это, разумеется, также относится к току замыкания на землю и вызывает колебания, возбуждаемые в линии тока замыкания на землю, и при этом ток достигает значительной амплитуды. Это накладывает значительную дополнительную нагрузку на компоненты преобразователя. Поэтому наложение бросков тока замыкания на землю на сбалансированный ток задает пороги защиты от сверхтока. Во избежание этого весь преобразователь должен иметь излишний запас прочности. В прошлом это не представляло проблемы, т.к. полупроводниковые переключатели переключались очень медленно и поэтому дополнительные потери были незначительными. Но эта проблема усугубилась с возрастанием частоты переключений и градиента переключающего блока. Поэтому ввиду ставших возможными в настоящее время высоких частот переключений требуются технические решения для ослабления синфазного напряжения. По этой причине в документе DE 19607201 A1 в промежуточную цепь введен фильтр подавления помех. Фильтр содержит трансформатор и совокупность конденсаторов фильтра. Одна обмотка трансформатора подключена к положительному пути промежуточной цепи, а другая - к отрицательному пути промежуточной цепи, в результате чего неуравновешенный ток замыкания на землю намагничивает сердечник трансформатора, и тем самым ток замыкания на землю ослабляется.

Описываемое выше устройство преобразователя особенно целесообразно для применения в диапазонах низкого напряжения, например при номинальных напряжениях ниже 1 кВ. Его недостаток заключается в том, что - как следствие - не имеется возможности возбуждения всех типов машин с вращающимся индуктором: процессы переключения во втором конверторе приводят к несинусоидальному напряжению на выводах двигателя, и вследствие заземления через конденсаторы с помощью конденсаторов фильтра синфазное напряжение приводит к "скачкам" напряжения между двигателем и заземлением. Поэтому требуются двигатели более сложных конструкций, которые также можно использовать с несинусоидальными напряжениями.

Краткое описание сущности изобретения
Соответственно, задача данного изобретения заключается в обеспечении нового устройства преобразовательной цепи, которое также обеспечивает возможность запитывания стандартных двигателей, например двигателей, для которых требуется синусоидальное напряжение на зажимах. Также устройство должно предусматривать возможность применения цепи в диапазоне среднего и высокого напряжения.

Эта задача решается с помощью устройства преобразовательной цепи, имеющей признаки согласно независимому пункту формулы изобретения.

В соответствии с данным изобретением поставленная задача решается тем, что фильтр, имеющий заземленную нейтраль звезды, подключен между вторым преобразователем и нагрузкой. Это в результате обеспечивает синусоидальное напряжение на нагрузке, позволяя запитывать любые нужные машины с вращающимся индуктором.

Преобразовательное устройство согласно данному изобретению можно также использовать для модификации существующих систем, поскольку нет необходимости заменять существующие машины. Такое дополнение системы преобразователя позволяет добиться значительной экономии энергии в том отношении, что, например, приводы могут работать с изменяемой скоростью.

Трансформатор, имеющий по меньшей мере две обмотки, размещают в промежуточной цепи. Одну обмотку подключают к положительному пути, а другую - к отрицательному пути. Обмотки магнитно связаны друг с другом и соединены параллельно. Эта мера сказывается только на нежелательных неуравновешенных составляющих тока, который протекает в одинаковом направлении в обеих обмотках. Вследствие этого трансформатор намагничивается, и синфазные токи ослабляются. На требуемые уравновешенные составляющие тока, которые протекают в одном направлении в одной обмотке и в противоположном направлении ко второй обмотке, неблагоприятное воздействие оказывает слабое влияние.

Трансформатор можно также подключить к линиям тока между источником питания и первым преобразователем или к линиям тока между вторым преобразователем и нагрузкой.

Предпочтительное, приводимое в качестве примера осуществление, в котором трансформатор можно сконструировать более экономично, отличается тем, что обеспечивают третью обмотку, которая аналогично механически соединена с первыми двумя обмотками и к которой подключен ослабляющий резистор. Напряжение, наводимое при этом в третьей обмотке синфазными токами, рассеивается в резисторе.

Прочие предпочтительные варианты осуществления приводятся в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.

Краткое описание чертежей
Данное изобретение и его преимущества будут более понятными из излагаемого ниже подробного описания, которое рассматривается в совокупности с прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг. 1 изображает электрическую схему предпочтительного варианта осуществления изобретения;
Фиг.2 - схему второго варианта осуществления;
Фиг.3 - схему третьего варианта осуществления.

Описание предпочтительных осуществлений
Обращаясь к чертежам, на которых одинаковые позиции обозначают идентичные или соответствующие узлы во всех вариантах, приводимое в качестве примера осуществление схематически изображено на Фиг.1. Позиция 7 присвоена сети трехфазного источника напряжения, которая соединена через сетевой трансформатор с первым преобразователем 1. Трехфазные экранированные соединительные кабели образуют индуктивности кабеля и емкости кабеля Сс, которые не изображены. Напряжение переменного тока сети 7 источника напряжения преобразуют в напряжение постоянного тока в преобразователе 1. Промежуточная цепь 3 постоянного тока содержит конденсаторы Czk промежуточной цепи, которые подключены к положительной линии 4 и к отрицательной линии 5. Промежуточная цепь 3 подключена ко второму преобразователю 2, который преобразует напряжение постоянного тока обратно в напряжение переменного тока с изменяемой частотой и амплитудой.

В приведенном в качестве примера варианте осуществления второй преобразователь 2 является инвертором трех точек. Поэтому также обеспечивают два последовательно соединенных конденсатора промежуточной цепи Czk, которые образуют нейтраль Np в их общей точке соединения. Преобразователь 2 возбуждает нагрузку 6, например двигатель М с регулируемой частотой вращения. Соединительные кабели между нагрузкой 6 и преобразователем 2 образуют емкости Сс кабеля и индуктивности кабеля, которые не изображены. Согласно изобретению LC-фильтр, имеющий емкость Cf фильтра и индуктивность Lf фильтра, размещен между нагрузкой 6 и преобразователем 2.

Трансформатор 8 выполнен в промежуточной цепи. Трансформатор имеет по меньшей мере две обмотки, причем первая обмотка 9 выполнена в положительной линии 4, а вторая обмотка 10 выполнена в отрицательной линии 5. Цепь действует следующим образом. LC-фильтр отфильтровывает гармоники из производимого напряжения инвертора, в результате чего к двигателю прилагают только сбалансированное синусоидальное напряжение. Двигатель не нагревается от гармоник, и поэтому мощность привода понижать не надо. Но на практике LC-фильтр действует только на сбалансированных (3-фазных) гармониках. На несбалансированных гармониках (с одинаковой фазой, или на гармониках синфазного напряжения) отрицательное воздействие едва сказывается. Нейтраль фильтра заземлена непосредственно. В результате этого, с одной стороны, какое-либо синфазное напряжение не прилагается к двигателю (еще одна предпосылка возможности использовать стандартные двигатели). С другой стороны: неизбежное синфазное напряжение падает между остальными компонентами устройства цепи (преобразователь 1, промежуточная цепь, преобразователь 2, кабель трансформатора, вторичная обмотка трансформатора) и заземлением. Поэтому заряды на емкостях "по отношению к земле" изменяют на противоположные на частоте синфазного напряжения, и упомянутый нежелательный ток замыкания на землю протекает первоначально.

Уравновешенный ток нагрузки протекает в одном направлении в первой обмотке 9 в трансформаторе 8 и в противоположном направлении во второй обмотке 10. Вследствие этого сердечник трансформатора 8 не намагничивается. Поэтому ток нагрузки в трансформатор 8 вообще не попадает. Неуравновешенный ток замыкания на землю, напротив, всегда протекает в том же направлении, что и в обеих обмотках 9 и 10. Поэтому сердечник трансформатора намагничивается, и ток замыкания на землю эффективно ослабляется. Если трансформатор 8 будет иметь только две обмотки, то он будет неэкономично крупногабаритным. По этой причине предпочтительно обеспечивают третью обмотку 11, и ее выводят на ослабляющий резистор Rd. Ток замыкания на землю таким образом индуцирует напряжение в ослабляющем резисторе Rd, и это напряжение рассеивается. Это эффективно ослабляет нежелательный неуравновешенный синфазный ток.

Трансформатор 8 также имеет вторую представляющую преимущество функцию: он действует как ограничитель тока короткого замыкания в случае неисправности. Если диод в преобразователе 1 откажет, то конденсатор промежуточной цепи Czk разряжается через этот неисправный диод. Образуемый при этом ток короткого замыкания накладывает очень значительную силу на систему сборных шин и также может повредить конденсатор промежуточной цепи Czk. Паразитная индуктивность в трансформаторе 8 ограничивает этот ток до приемлемого уровня.

Фиг. 2 изображает приводимый в качестве примера вариант осуществления, в котором трансформатор 8 подключен между нагрузкой 6 и вторым преобразователем 2. В изображаемом трехфазном применении трансформатор 8 имеет две первичные обмотки 9, 10 и третью обмотку 11, которую также можно вывести на ослабляющий резистор Rd.

Наконец, Фиг. 3 также изображает приводимый в качестве примера вариант осуществления, в котором трансформатор 8 размещен между сетью 7 источника напряжения и первым преобразователем 1.

Данное изобретение пояснялось выше на примере инвертора трех точек и LC-фильтра. Но в целях данного изобретения это не является обязательным. Единственное важное обстоятельство заключается в том, что изобретение относится к преобразователю, имеющему промежуточную цепь постоянного тока. В целях данного изобретения также возможны прочие варианты осуществления, такие как инверторы двух точек или многоуровневые инверторы.

Очевидно, что в свете описываемых выше решений возможны многочисленные модификации и варианты данного изобретения. Поэтому подразумевается, что в рамках прилагаемой формулы изобретения оно может быть реализовано иным образом кроме конкретно излагаемого здесь.

Изобретение относится к схемам питания. Устройство преобразовательной цепи, имеющее промежуточную цепь постоянного тока, содержит трансформатор, имеющий по меньшей мере две обмотки. Трансформатор включен в промежуточную цепь таким образом, что нежелательные неуравновешенные составляющие тока обусловливают намагничивание сердечника трансформатора и тем самым ослабляются. Заземленный LC-фильтр включен перед нагрузкой и производит синусоидальное напряжение на нагрузке. Вследствие этого данную цепь можно использовать с любыми требуемыми машинами с вращающимся индуктором, а также для модификации существующих систем. Это является техническим результатом. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство преобразовательной цепи, содержащее первый преобразователь (1), подключенный к сетевому источнику (7) напряжения, второй преобразователь (2), подключенный к нагрузке (6), промежуточную цепь (3) постоянного тока, имеющую положительную линию (4) и отрицательную линию (5), включенную между первым и вторым преобразователями, трансформатор (8), включающий по меньшей мере две магнитносвязанные обмотки (9 и 10), которые включены по одной в каждый проводник между сетевым источником (7) напряжения и первым преобразователем (1), или по одной в каждую линию (4, 5) промежуточной цепи (3), или по одной в каждый проводник между вторым преобразователем (2) и нагрузкой (6), отличающееся тем, что заземленный фильтр включен между нагрузкой (6) и вторым преобразователем (2), при этом индуктивности фильтра обеспечены на проводниках между вторым преобразователем и нагрузкой, а емкости этого фильтра обеспечены между упомянутыми проводниками и точкой заземления.2. Устройство преобразовательной цепи по п.1, отличающееся тем, что обмотки трансформатора (8) ориентированы параллельно, в результате чего ток, протекающий в одной обмотке в направлении нагрузки, производит то же направление намагничивания трансформатора, что и ток, протекающий в другой обмотке в направлении нагрузки.3. Устройство преобразовательной цепи по п.1 или 2, отличающееся тем, что трансформатор (8) имеет третью обмотку (11), которая аналогичным образом магнитно связана с первыми двумя обмотками (9 и 10) и выведена на ослабляющий резистор (Rd).4. Устройство преобразовательной цепи по п.1 или 2, отличающееся тем, что второй преобразователь (2) выполнен в виде инвертора трех точек, а нейтраль (Np) формируют двумя конденсаторами (Czk) промежуточной цепи, которые соединены последовательно и включены между положительной линией и отрицательной линией.