ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 2004 года по МПК H02M5/45 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к преобразователям частоты.

Преобразователи частоты средней и большой мощности выполняются обычно на тиристорах и имеют две разновидности: непосредственные преобразователи и преобразователи со звеном постоянного тока.

Достоинство непосредственных преобразователей частоты - возможность естественной коммутации тиристоров. Недостатки: сложность силовой схемы и небольшой частотный диапазон. Расширить частотный диапазон удается применением искусственной коммутации (см. С.В.Хватов, В.Г.Титов, Г.Л.Муравьев. Разработка непосредственных преобразователей частоты для асинхронных нагрузочных устройств. В кн.: “Непосредственные преобразователи частоты с искусственной коммутацией”. - Киев: “Знание”, 1977 г., с.23-24 и Г.Г.Магазинник, В.Л.Мельников. Устройство искусственной коммутации для непосредственного преобразователя частоты. “ЭП”, сер. Преобразовательная техника, 1983 г., вып. 18(136), с.10-12), однако искусственная коммутация существенно усложняет непосредственный преобразователь частоты.

Преобразователи со звеном постоянного тока имеют широкий частотный диапазон и более простую силовую схему, содержащую обычно выпрямитель в виде т-фазного тиристорного моста, инвертор в виде такого же т-фазного или однофазного моста, сглаживающий дроссель и цепи возврата реактивной мощности в виде обратного диодного моста и конденсатора, включенных параллельно выходу выпрямителя (см. И.Л.Каганов. Промышленная электроника. - М.: Высшая школа, 1968 г., с.542, рис.7.96, с.546, рис.7.99).

Однако преобразователи со звеном постоянного тока требуют искусственной коммутации инвертора либо выполнения его на запираемых ключах (транзисторах или двухоперационных тиристорах). Искусственная коммутация (см. Alone F., Barnao E., et al. Microprocessor - based suboptimal control of converter - fed hupo - hupersynchronys cascade drivs//conf. Rower Electron and Elec. Duvs: Proc 3rd IEAC Sump. Zausanne, 12-14 Sept., 1983 - Oxford e.a., 1984, P.523...530) усложняет схему, а применение силовых транзисторов лимитирует мощность преобразователя. Двухоперационные тиристоры сравнительно дороги, потери в них существенно выше, чем в однооперационных, а схемы управления сложнее.

Известен преобразователь частоты со звеном постоянного тока, в котором коммутация инвертора осуществлена частичным отбором энергии из контура коммутации выпрямителя с помощью введения в схему однофазных насыщающихся трансформаторов по числу фаз питающей сети (см. патент №2073309, БИ №4, 1997 г.).

Преобразователь частоты со звеном постоянного тока и однофазными насыщающимися трансформаторами является наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков и принимается за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа и других известных схем преобразователей частоты на тиристорах без искусственной коммутации относится то, что максимальная частота на выходе этих устройств не превосходит частоты питающей сети, что ограничивает функциональные возможности преобразователя частоты.

Упрощенная схема прототипа с однофазной нагрузкой приведена на фиг.1 и содержит мостовой тиристорный выпрямитель 1, 2, 3, 4, подключенный к питающей сети через первичную обмотку насыщающегося трансформатора 5, и тиристорный инвертор 6, 7, 8, 9, подключенный входом через сглаживающий дроссель 10 к упомянутому мостовому тиристорному выпрямителю 1, 2, 3, 4, а выходом переменного тока - через вторичную обмотку 11 насыщающегося трансформатора 5 подключенный к нагрузке 12. Максимальная частота f₂ на выходе инвертора прототипа равна частоте f₁ питающей сети, а весь спектр выходных частот определяется из выражения

где m - пульсность выпрямителя, k = 0, 1,2... .

В частности, при m=2 (однофазный выпрямитель) выходные частоты в соответствии с формулой (1) имеют ряд f₁, f₁/3, f₁/5....

Технический результат - расширение частотного диапазона преобразователя частоты без применения искусственной коммутации.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, представляющем преобразователь частоты, содержащий мостовой тиристорный m-фазный выпрямитель, где m - кратно трем, однофазный мостовой тиристорный инвертор, подключенный к упомянутому мостовому тиристорному m-фазному выпрямителю через сглаживающий дроссель, однофазные насыщающиеся трансформаторы по числу фаз питающей сети, включенные последовательно первичными обмотками между фазами питающей сети и выводами переменного тока мостового m-фазного выпрямителя, а также однофазную нагрузку, в схему преобразователя частоты введен дополнительно однофазный развязывающий трансформатор, содержащий m первичных обмоток, подключенных к соответствующим вторичным обмоткам однофазных насыщающихся трансформаторов и одну вторичную обмотку, включенную последовательно с нагрузкой на выходе однофазного мостового тиристорного инвертора.

Это позволило значительно расширить частотный диапазон преобразователя частоты без применения устройств искусственной коммутации и, таким образом, решить поставленную задачу.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Сущность изобретения поясняется фиг.2, на которой представлена схема преобразователя частоты и диаграммы напряжений и токов, для одного из частных случаев, когда выпрямитель трехфазный мостовой, то есть с пульсностью m=6.

Схема содержит трехфазный мостовой тиристорный выпрямитель с тиристорами 1, 2, 3, 4, 5, 6, однофазный мостовой тиристорный инвертор с тиристорами 7, 8, 9, 10, подключенный к трехфазному мостовому тиристорному выпрямителю через сглаживающий дроссель 11, однофазные насыщающиеся трансформаторы 12, 13, 14 по числу фаз питающей сети, включенные последовательно первичными обмотками между фазами питающей сети и выводами переменного тока трехфазного мостового тиристорного выпрямителя. Схема содержит также однофазную нагрузку 15 и однофазный развязывающий трансформатор 16, причем первичные обмотки 17, 18, 19 этого трансформатора подключены к соответствующим вторичным обмоткам однофазных насыщающихся трансформаторов 12, 13, 14, вторичная обмотка 20 соединена последовательно с однофазной нагрузкой 15, а их свободные выводы подключены к зажимам переменного однофазного мостового тиристорного инвертора.

Устройство функционирует следующим образом. Пусть, например, в момент ωt=0 ток из питающей сети идет по фазам “с” и “в” через тиристоры 5 и 4, а в инверторе в это время отперты тиристоры 9, 8. В момент ω₁ (см. диаграммы) начинается коммутация из фазы “с” в фазу “а” (для простоты рассматривается коммутация при угле запаздывания α=0), то есть отпирается тиристор 1 и, под действием линейного напряжения сети начинает запираться тиристор 5. ЭДС трансформатора 12 прикладывается к обмотке 17 однофазного развязывающего трансформатора 16. Соответственно во вторичной обмотке 20 наводится ЭДС, направленная встречно току, протекающему через однофазную нагрузку 15. Если при этом будут поданы отпирающие импульсы на тиристоры 7, 10 инвертора, то под действием ЭДС вторичной обмотки 20 ток будет переходить в эти тиристоры, уменьшаясь соответственно в фазе “с” и увеличиваясь в фазе “а”. Например, при понижающем коэффициенте трансформации насыщающихся трансформаторов 2:1 и единичном коэффициенте трансформации однофазного развязывающего трансформатора 16 к моменту окончания коммутации тока в однофазном мостовом тиристорном инверторе токи в фазах “с” и “а” будут равны половине тока однофазной нагрузки 15. Расчетное время насыщения однофазных насыщающихся трансформаторов 12, 13, 14 больше времени коммутации тока в однофазной нагрузке 15, поэтому окончательная коммутация в фазах “с” и “а” произойдет, когда однофазный насыщающийся трансформатор 12 насытится, магнитная связь между его первичной и вторичной обмотками фактически разорвется, и ток коммутации будет ограничен только сетевыми индуктивностями. Заметим, что однофазный насыщающийся трансформатор 14 фазы “с” был насыщен в момент начала коммутации. Если в момент ωt₁ отпирающие импульсы на тиристоры 7, 10 инвертора поданы не будут, ток в однофазной нагрузке 15 продолжит протекать в том же направлении, и коммутация произойдет только в тиристорах выпрямителя. Очередная коммутация в инверторе будет теперь возможна лишь в момент ωt₂ (см. диаграммы фиг.2). Соответственно, частота уменьшится в три раза.

В общем случае частота f₁ тока i₁₅ на выходе инвертора, то есть в однофазной нагрузке 15, может принимать следующие дискретные значения:

где m - пульсность выпрямителя, n = 1,2,3....

На фиг.2 выпрямитель трехфазный мостовой, следовательно, m=6 и ряд выходных частот имеет вид f₂=150 Гц; 50; 30; 21,4; 16,6.... При пульсности 12 максимальная частота тока будет f_2max=300 Гц. Необходимо отметить, что диаграммы фиг.2 приближенные: в реальной ситуации α>0, так как коммутирующее напряжение в точках естественной коммутации ωt₁ равно нулю. Кроме того, коммутация не мгновенная (есть индуктивности), поэтому и ток i₁₅ не “прямоугольный” даже при отсутствии фильтров.

Таким образом, частотный диапазон предлагаемого преобразователя частоты в 3-6 раз ( зависимости от пульсности выпрямителя) выше, чем у любых известных преобразователей частоты с естественной коммутацией. Насыщающиеся трансформаторы и, особенно, развязывающий трансформатор имеют небольшие габариты, так как время насыщения относительно мало, а тепловую нагрузку у развязывающего трансформатора несет в основном лишь вторичная обмотка.

Устройство может найти применение как для мощных однофазных нагрузок, например, в электротяге, так и для однофазных электроприводов переменного тока средней и малой мощности, требующих дискретного регулирования скорости.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области электротехники;

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Изобретение относится к области электротехники, а именно к преобразователям частоты преимущественно средней и большой мощности для однофазных нагрузок. Технический результат - увеличение частотного диапазона без применения искусственной коммутации. Преобразователь частоты со звеном постоянного тока содержит m-фазный мостовой тиристорный выпрямитель (m - кратно трем), однофазный мостовой тиристорный инвертор, подключенный к упомянутому выпрямителю через сглаживающий дроссель, однофазные насыщающиеся трансформаторы по числу фаз питающей сети, включенные последовательно между фазами питающей сети и выводами переменного тока мостового m-фазного тиристорного выпрямителя, а также однофазную нагрузку. Особенность заключается в том, что в схему введен дополнительно однофазный развязывающий трансформатор, содержащий m первичных обмоток, подключенных к соответствующим вторичным обмоткам однофазных насыщающихся трансформаторов, и одну вторичную обмотку, включенную последовательно с нагрузкой на выходе однофазного мостового инвертора. 2 ил.

Преобразователь частоты, содержащий мостовой тиристорный m-фазный выпрямитель, где m кратно трем, однофазный мостовой тиристорный инвертор, подключенный к упомянутому мостовому тиристорному m-фазному выпрямителю через сглаживающий дроссель, однофазные насыщающиеся трансформаторы по числу фаз питающей сети, включенные последовательно между фазами питающей сети и выводами переменного тока мостового m-фазного тиристорного выпрямителя, а также однофазную нагрузку, отличающийся тем, что в схему преобразователя частоты введен дополнительно однофазный развязывающий трансформатор, содержащий m первичных обмоток, подключенных к соответствующим вторичным обмоткам однофазных насыщающихся трансформаторов, и одну вторичную обмотку, включенную последовательно с нагрузкой на выходе однофазного мостового тиристорного инвертора.