ТРЕХФАЗНО-ТРЕХФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ТРАНСФОРМАТОРНЫМ ЗВЕНОМ ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ Российский патент 2004 года по МПК H02M5/297 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для уменьшения массогабаритных показателей согласующих трансформаторов и количества управляемых вентилей в схемах непосредственных преобразователей частоты, предназначенных прежде всего для регулируемого электропривода переменного тока.

Основные тенденции упрощения и уменьшения массогабаритных показателей трехфазно-трехфазных преобразователей частоты связаны с повышением частоты питающего напряжения в первичных обмотках согласующего трансформатора, а также с применением диодно-транзисторных модулей, позволяющих свести к минимуму количество управляемых вентилей в силовой схеме преобразователя. Известно, что повышение частоты питающего напряжения позволяет в пропорциональном соотношении уменьшить расход стали и меди трансформатора, а значит его габаритные и стоимостные показатели. Наибольшие возможности подобного рода упрощения и удешевления существуют в схемах непосредственных преобразователей частоты (НПЧ), благодаря отсутствию в них промежуточного звена постоянного тока и возможности двухстороннего обмена мощностью между сетью и нагрузкой без каких-либо вспомогательных цепей. Рассматриваемые устройства выполняются, как правило, по структуре "модулятор - согласующий трансформатор-демодулятор". В зависимости от исполнения модулятора, согласующий трансформатор может быть одно- или трехфазным. Так, например, выполнение данного узла по трехфазной нулевой схеме на транзисторных ключах с двухсторонней проводимостью тока позволяет иметь на первичной стороне лишь одну обмотку. Соответственно этому и исполнение трансформатора может быть однофазным (см. Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе. Под ред. Р.С. Сарбатова. М.: Энергия, 1980, с.11). Однако для получения трехфазного выходного напряжения такие схемы должны снабжаться на выходе специальным фазорасщепителем, что усложняет устройство и увеличивает количество управляемых вентилей. Поэтому объектом данного изобретения был выбран вариант с трехфазным трансформатором, в котором благодаря предлагаемой конструкции модулятора удается получить трехфазное питающее напряжение повышенной частоты, а затем в выходных цепях преобразователя осуществлять плавное регулирование напряжения и частоты при минимальном количестве диодно-транзисторных модулей. Наиболее близкое техническое решение содержится в схеме маловентильного НПЧ, который кроме трехфазного согласующего трансформатора содержит входные цепи в виде трехфазной группы первичных обмоток этого трансформатора и выходные цепи, выполняющие функции регулирования напряжения и частоты, содержащие три одинаково выполненных группы трехфазных вторичных обмоток и три коммутирующих элемента, каждый в виде трехфазного диодного моста, зажимами переменного тока подключенный к одноименным фазным выводам одной из указанных групп обмоток, а зажимами постоянного тока - к силовым выводам включенного в проводящем направлении транзисторного ключа, в то время, как другие одноименные выводы каждых трех вторичных обмоток разных фаз и групп присоединены к одному из выводов трехфазной нагрузки (см. Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе. Под ред. Р.С. Сарбатова. М.: Энергия, 1980, с.280).

Для получения в первичных обмотках указанного трансформатора трехфазного напряжения повышенной частоты предлагается входные цепи преобразователя выполнить аналогично выходным цепям, а именно с применением трех одинаково выполненных трехфазных групп первичных обмоток и трех коммутирующих элементов, каждый в виде трехфазного диодного моста с зажимами переменного тока, подключенными к одноименным выводам первичных обмоток одной из трехфазных групп, а зажимами постоянного тока - к силовым выводам включенного в проводящем направлении транзисторного ключа, при этом другие выводы каждых трех первичных обмоток разных фаз и групп подключены к одной из фаз питающей сети.

На фиг.1а, б изображены схемы заявляемого устройства, а на фиг.2 - временные диаграммы трехфазных напряжений сети U_А, U_В, U_С (пунктирная линия), напряжений первичной и вторичной обмоток U_а, U_в, U_с, фазных напряжений нагрузки U_ан, U_вн, U_сн, включенной по схеме звезды, а так же управляющих импульсов для транзисторных ключей 1-3 и 4-6.

Преобразователь содержит 3-фазный согласующий трансформатор с тремя трехфазными группами первичных обмоток и таким же количеством вторичных обмоток. Полагая, что магнитопровод трансформатора имеет три стержня, будем считать, что на первом стержне намотаны три первичных А₁, А₂, А₃ и три вторичных a₁, а₂, а₃ обмотки фазы А. Аналогично на втором стержне располагаются первичные В₁, В₂, В₃ и вторичные b₁, b₂, b₃ обмотки фазы В, а на третьем стержне первичные C₁, C₂, С₃ и вторичные с₁, с₂, с₃ обмотки фазы С. В рабочем состоянии все группы обмоток включаются по схеме звезды, для чего служат коммутирующие элементы с применением трехфазных диодных мостов и транзисторных ключей 1-6. Каждый диодный мост зажимами переменного тока соединен с одноименными (началами или концами) выводами одной из групп обмоток, а зажимами постоянного тока - к силовым выводам включенного в проводящем направлении транзисторного ключа. В результате первая группа первичных обмоток A₁, В₁, C₁ соединяется по схеме звезды с помощью транзистора 1, вторая группа - с помощью транзистора 2, а третья группа - с помощью транзистора 3. Другими одноименными выводами каждые три указанные обмотки разных групп и фаз подключены к одной из фаз источника сетевого напряжения. Выполнение вторичных обмоток обуславливает функциональные возможности преобразователя, а потому зависит от его назначения. В простейшем случае работы при постоянных величинах напряжения и частоты на выходе на вторичной стороне может располагаться лишь одна группа обмоток без применения коммутирующего элемента (см. фиг.1а). Для возможности регулирования напряжения и частоты структура выходных цепей преобразователя (демодулятора) дополняется еще двумя группами обмоток и тремя коммутирующими элементами, повторяя структуру входных цепей (модулятора). Для этого, как показано на фиг.1б, всего на вторичной стороне трансформатора имеется три группы 3-фазных обмоток (a₁, а₂, а₃; b₁, b₂, b₃; c₁, с₂, с₃), каждая из которых аналогично соединяется по схеме звезды с помощью одного из транзисторных ключей 4-6. Каждые три вторичных обмотки разных групп и фаз подключены к одному из выводов трехфазной нагрузки.

При обсуждении принципа действия данного преобразователя с помощью диаграмм фиг.2 в общем случае можно говорить о фазных напряжениях разных частот: питающем сетевом напряжении U_А, U_В, U_С (показано пунктиром), напряжении первичных обмоток U_a, U_в, U_c, частота и форма которого аналогична напряжению вторичных обмоток и фазных напряжениях нагрузки U_ан, U_вн, U_сн.

Принцип действия преобразователя состоит в циклическом поочередном переключении транзисторов 1-3 модулятора с частотой коммутации f_k1, значение которой на диаграммах фиг.2 принято равной 600 Гц. Для исключения в составе напряжений обмоток низкочастотных и постоянной составляющих эта частота должна превышать и быть кратной частоте сетевых пульсаций трехфазной вентильной схемы 150 Гц. В результате питающее напряжение обмоток трансформатора U_a, U_в, U_c будет иметь квазисинусоидальную форму, основные гармонические составляющие которого образуют симметричное 3-фазное напряжение повышенной частоты, определяемой по формуле f₁=f_к1/3-f_c. Для примера на фиг.2 эта частота составляет f₁=600/3-50=150 (Гц). Такую же форму будет иметь напряжение на выходе нерегулируемого преобразователя частоты по схеме фиг.1а. Регулирование частоты напряжения нагрузки в схеме фиг.1б, которая должна быть в кратном соотношении с частотой питания первичных обмоток f₂=f₁/к осуществляется соответствующим изменением частоты коммутации транзисторных ключей 4-6, согласно формуле

где к>1 - натуральное число. Так, например, на диаграммах фиг.2 напряжение нагрузки с кратностью частот напряжений в обмотках и нагрузки K=f₁/f₂=3 получено при частоте коммутации этих ключей

Одновременно с этим необходимо изменить в f_к1/f_к2 раз длительность управляющих импульсов, подаваемых на ключи 4-6 по сравнению с импульсами для ключей 1-3, при этом скважность обеих импульсных последовательностей должна остаться одинаковой, равной трем. Порядок построения кривых фазного напряжения нагрузки поясним вначале на интервале включенного состояния ключей 1 и 4, полагая, что коэффициент трансформации равен единице. Тогда будут замкнуты цепи трехфазных обмоток A₁, B₂, C₃ с первичной и a₁, b₁, c₁ с вторичной стороны трансформатора. В этом случае мгновенные значения фазных напряжений нагрузки будут равны: U_ан=U_А, U_вн=U_В, U_сн=U_С. Если на следующем межкоммутационном интервале в рабочем состоянии окажутся ключи 1 и 5, указанные напряжения нагрузки изменятся, так как соответствующим образом изменится чередование фаз. В результате эти напряжения примут значения: U_ан=U_B, U_вн=U_С, U_сн=U_A. Аналогичным образом изменится чередование фаз на интервале включенного состояния ключей 2 и 4 и так далее.

Плавное изменение напряжения нагрузки в данном преобразователе возможно на основе известных принципов фазового и широтно-импульсного регулирования. Для осуществления такого регулирования необходимо в определенные моменты периода сетевого напряжения соответствующим образом изменять длительность и порядок подачи управляющих импульсов на транзисторные ключи вторичных обмоток. Способы такого регулирования являются предметом самостоятельного технического решения.

Использование: в схемах непосредственных преобразователей частоты. Технический результат заключается в уменьшении массогабаритных показателей трансформатора при минимальном количестве транзисторных ключей на его первичной и вторичной стороне. Преобразователь выполнен по структуре "непосредственно связанный с сетью модулятор - трансформаторное звено повышенной частоты - демодулятор". В состав модулятора входят три группы трехфазных первичных обмоток трансформатора, каждая из которых соединяется по схеме звезды с помощью коммутирующего элемента в виде транзисторного ключа на выходе трехфазного диодного моста, зажимами переменного тока соединенного с одноименными выводами одной из групп обмоток, при этом другими одноименными выводами первичные обмотки разных фаз подключены к одной из фаз питающей сети. Аналогичным образом выполнен демодулятор на вторичной стороне трансформатора, с той разницей, что другими одноименными выводами вторичные обмотки разных фаз подключены к одному из выводов трехфазной нагрузки. 3 ил.

Трехфазно-трехфазный преобразователь с трансформаторным звеном повышенной частоты, содержащий входные цепи, выполняющие функции модулятора для преобразования трехфазного напряжения питающей сети в трехфазное напряжение первичных обмоток согласующего трансформатора повышенной частоты и выходные цепи, выполняющие функции демодулирования с возможностью регулирования частоты и напряжения нагрузки, содержащие три одинаково выполненные группы трехфазных вторичных обмоток и три коммутирующих элемента, каждый в виде трехфазного диодного моста, зажимами переменного тока подключенный к одноименным фазным выводам одной из указанных групп обмоток, а зажимами постоянного тока - к силовым выводам включенного в проводящем направлении транзисторного ключа, в то время, как другие одноименные выводы каждых трех вторичных обмоток разных фаз и групп присоединены к одному из выводов трехфазной нагрузки, отличающийся выполнением входных цепей аналогично выходным цепям преобразователя с применением трех одинаково выполненных трехфазных групп первичных обмоток и трех коммутирующих элементов, каждый в виде трехфазного диодного моста с зажимами переменного тока, подключенными к одноименным выводам первичных обмоток одной из указанных трехфазных групп, а зажимами постоянного тока - к силовым выводам включенного в проводящем направлении транзисторного ключа, при этом другие выводы каждых трех первичных обмоток разных фаз и групп подключены к одной из фаз питающей сети.