СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ЧАСТОТЫ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 2004 года по МПК G05F1/30 H02M5/27 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для плавного регулирования напряжения и частоты на выходе трехфазно-трехфазных преобразователей, выполняемых по структуре "модулятор-демодулятор" с трансформаторным звеном повышенной частоты.

Основные тенденции упрощения и уменьшения массогабаритных показателей преобразователей частоты связаны с повышением частоты питающего напряжения в первичных обмотках согласующих трансформаторов, а также с применением диодно-транзисторных модулей, позволяющих свести к минимуму количество управляемых вентилей в силовой схеме. 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 энергией между сетью и нагрузкой без каких-либо вспомогательных цепей. Наиболее целесообразной областью применения подобных устройств является электропривод, требующий одновременного плавного регулирования напряжения и частоты на выходе преобразователя в широких пределах. Данным требованиям вполне удовлетворяет преобразователь с многообмоточным трансформатором в звене повышенной частоты. Полагается, что на каждом из трех стержней магнитопровода этого трансформатора размещены три группы первичных и три группы вторичных обмоток, каждая из которых соединяется по схеме звезды с помощью коммутирующего устройства, выполненного в виде транзисторного ключа, установленного на выходе трехфазного диодного моста, зажимами переменного тока соединенного с одноименными выводами (началами или концами) обмоток одной из групп, причем другими одноименными выводами каждые три обмотки, намотанные на разных стержнях, подключены с первичной стороны к одной из фаз питающей сети, а со вторичной стороны - к одному из выводов трехфазной нагрузки.

В данной структуре коммутирующие устройства в первичных обмотках выполняют функции модулятора, транзисторы которого работают со сравнительно высокой, необходимой для уменьшения габаритов трансформатора, постоянной частотой переключении f_к1. Для получения в цепях нагрузки напряжения меньшей частоты служит демодулятор, функции которого выполняют транзисторные ключи во вторичных обмотках трансформатора. Предлагаемое решение предусматривает, что эти же элементы выполняют и функции регулирования напряжения и частоты в цепях нагрузки. Подобное построение преобразователя позволяет, по сравнению с другими известными схемами трехпульсных НПЧ, повысить частоту питания трансформатора при меньшем количестве управляемых вентилей.

Разработка способа управления обеими структурными частями указанного преобразователя является целью данного изобретения. Наиболее близкое техническое решение содержится в описании работы ключей на вторичной стороне многообмоточного трансформатора (см. Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе. Под ред. Р.С.Сарбатова. - М.: Энергия, 1980, с. 280). В рассматриваемой схеме известный алгоритм используется для управления ключами модулятора. Суть этого технического решения состоит в получении трехфазного напряжения в обмотках трансформатора с частотой, превышающей частоту сети f₁ = к₁·_{m· fc, путем циклически поочередного и равноинтервального переключения трех транзисторных ключей модулятора с частотой fк1=m· (f1+fc) с помощью трехфазной импульсной последовательности х1, х2, х3, где m=3 - пульсность применяемой вентильной схемы, fс=50 Гц - частота сетевого напряжения, к1 =1, 2, 3,... - требуемая кратность отношения частоты напряжения в первичных обмотках (f1) к частоте сетевых пульсаций (mfc).}

Формирование трехфазного напряжения в цепях нагрузки, а также его регулирование в диапазоне частот, меньших частоты питания первичных обмоток f₂=f₁/к₂, ≤ f₁ предлагается осуществлять, устанавливая частоту коммутации транзисторных ключей демодулятора согласно выражению

где к₂=1, 2, 3... - требуемая кратность отношения частоты напряжения в цепях нагрузки к частоте питания первичных обмоток трансформатора.

В случаях, требующих одновременного плавного регулирования напряжения и частоты на выходе преобразователя в соответствии с величиной и формой управляющего сигнала, переключение транзисторов демодулятора предлагается осуществлять с помощью трех последовательностей управляющих импульсов у₁, у₂, у₃,_{для получения которых используются логические импульсные сигналы ха, хв, хс, формируемые на выходе системы импульсно-фазового управления на основе вертикального принципа в моменты равенства линейно изменяющегося управляющего напряжения с двумя последовательностями опорных напряжений линейно возрастающей и убывающей формы, синхронизированных с точками естественной коммутации сетевых напряжений, согласно логическим выражениям}

у₁=х_а·_{x1+хв·х2+хс·х3;}

у₂=х_с·_{х1+ха·х2+хв·х3;}

у₃=x_в·_{х1+хс·х2+ха·х3.}

На фиг.1 изображена силовая схема трехфазно-трехфазного преобразователя частоты с многообмоточным трансформатором в звене повышенной частоты; на фиг.2 - временные диаграммы напряжений и управляющих сигналов, иллюстрирующие работу данного преобразователя в соответствии с предложенным алгоритмом управления; на фиг.3 - в качестве примера приведена схема управления преобразователем, с помощью которой можно реализовать предложенный способ.

Рассматриваемый преобразователь фиг.1 содержит трехфазный 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 первичные А₁, А₂, А₃ и три вторичные а₁, а₂, а₃ обмотки сетевой фазы А. Аналогично на втором стержне располагаются первичные В₁, В₂, В₃ и вторичные b₁, b₂, b₃ обмотки фазы В, а на третьем стержне - первичные С₁, С₂, С₃ и вторичные с_1, c₂, с₃ обмотки фазы С. В рабочем состоянии каждая из групп обмоток включается 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 - с силовыми выводами включенного в проводящем направлении транзисторного ключа. При этом первая группа первичных обмоток A₁, B₁, 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 обмотки разных групп и фаз подключены к одной из фаз источника сетевого напряжения. Аналогично с помощью транзисторных ключей 4-6 соединяются группы обмоток на вторичной стороне трансформатора a₁, а₂, а₃; b₁, b₂, b₃; C₁, С₂, С₃, причем каждые три вторичные обмотки разных групп и фаз оказываются подключенными к одному из выводов трехфазной нагрузки.

На диаграммах фиг.2, иллюстрирующих работу преобразователя, представлены трехфазные напряжения разных частот: питающего сетевого напряжения U_A, U_B, U_C промышленной частоты f_c=50 Гц (показано пунктиром), напряжения первичных обмоток U_a, U_в, U_с частоты f₁, форма которого совпадает с формой напряжения вторичных обмоток, и фазных напряжений нагрузки U_aн, U_вн, U_вн, изменяющихся с частотой f₂.

Принцип действия модулятора состоит в циклическом поочередном переключении транзисторов 1-3 с частотой коммутации fк₁ = к₁mf_c, 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 вентильной схемы f_cm= 150 Гц с коэффициентом кратности к₁ = 1, 2, 3,.. Получаемое в результате этих переключении напряжение в обмотках трансформатора U_a, U_в, U_c имеет квазисинусоидальную форму, основные гармонические составляющие которого образуют симметричное трехфазное напряжение повышенной частоты. Зная частоту коммутации, легко определить частоту напряжения в обмотках f₁ =f_к1/3-f_c. Данное выражение получается в результате сравнения периода сетевого напряжения с периодом коммутации транзисторов и периодом напряжения в обмотках трансформатора. В примере на фиг.2 эта частота составляет f₁ = 600/3-50 =150 Гц.

Формирование трехфазного напряжения в цепях нагрузки преобразователя осуществляется с частотой, меньшей частоты питания первичных обмоток f₂ =f₁/к₂ в процессе циклического поочередного переключения транзисторов 4-6 демодулятора. Для получения напряжений, основные гармоники которых образуют трехфазную симметричную систему, эти переключения должны быть равноинтервальными с частотой коммутации f_к2=3(f_c+f₂) при коэффициенте кратности частот в первичных и вторичных обмотках к₂=f₁/f₂=1, 2, 3... Подставляя в последние выражения значение fк₁, получим уравнение, связывающее частоты переключении модулятора и демодулятора

Пример на диаграммах фиг.2 показывает, что в случае f_к1=600 Гц, к₂=4 переключение транзисторов демодулятора будет происходить с частотой f_к2=26 2,5 Гц, что позволяет получить в нагрузке трехфазное напряжение частоты f₂=37,5 Гц.

Плавное регулирование напряжения и частоты на выходе преобразователей, выполняемых без звена постоянного тока, как правило, осуществляется импульсно-фазовым способом на основе так называемого вертикального принципа. Напомним, что при данном способе моменты переключении отыскиваются в точках равенства управляющего и опорных сигналов. В условиях высокочастотной модуляции питающего напряжения привязка опорных сигналов к тому или иному вентилю (транзисторному ключу демодулятора) отсутствует, однако сохраняется по отношению к сетевым фазным напряжениям. Это означает, что пересечение управляющего напряжения с тем или иным опорным сигналом должно сопровождаться выработкой на выходе системы импульсно-фазового управления (СИФУ) логического импульсного сигнала (х_а, х_в, х_с), предписывающего появление в рассматриваемой фазе нагрузки напряжения сетевой фазы А, если х_а=1, х_в=0, х_с=0; фазы В, если х_в=1, х_а=0, х_с=0 или фазы С, если х_с=1, х_а=0, х_в=0. Особенность рассматриваемого преобразователя состоит в том, что переключения транзисторов демодулятора сопровождаются одновременным изменением напряжения во всех фазах нагрузки, что делает возможным управлять этим процессом лишь в одной "ведущей" фазе. При условии равноинтервальности переключений основные гармоники напряжений в других фазах будут иметь ту же величину с фазовым сдвигом 120° . Как показано на диаграммах фиг.2, равноинтервальность переключении может быть обеспечена применением управляющего напряжения Uy и опорных сигналов линейной (треугольной) формы. Полагается, что в СИФУ происходит формирование двух импульсных последовательностей в точках пересечениях управляющего сигнала с убывающими и возрастающими участками опорных сигналов, однако на выход поступает лишь одна из них, в зависимости от направления изменения управляющего напряжения (х_в, х_а, х_с), выделенная на диаграммах сплошной штриховкой (см. а.с. №692057).

Управляющие импульсы, подаваемые непосредственно на транзисторные ключи демодулятора, должны формироваться с применением указанных импульсных последовательностей СИФУ х_а, х_в, х_с, а также импульсов управления транзисторами модулятора х₁, х₂, х₃, согласно логическим выражениям

у₁=х_а·_{x1+хв·х2+хс·х3;}

у₂=х_с·_{х1+ха·х2+хв·х3;}

у₃=x_в·_{х1+хс·х2+ха·х3.}

Покажем, что управление транзисторами демодулятора с помощью указанных импульсных последовательностей у₁, у₂, у₃ обеспечивает эффект фазового регулирования напряжения на выходе рассматриваемого преобразователя на частоте 50 Гц. Из диаграмм фиг.2 видно, что в момент t₂ на выходе СИФУ произошла выработка логического сигнала х_а=1, предписывающего появление в нагрузке ведущей фазы напряжения U_aн=U_A. На данном интервале имеем х₂=1, х₁=х₃=0, поэтому в составе модулятора включен лишь транзистор 2. В соответствии с логическими выражениями управляющий импульс появится лишь на выходе у₂=х_а·_{х2=1 в связи с чем в составе демодулятора в работу должен вступить транзистор 5. Возвращаясь к приведенной на фиг.1 схеме преобразователя, видим, что одновременная работа транзисторных ключей 2 и 5 обеспечит появление в цепях нагрузки напряжений Uан=UA, Uвн=Uв, Ucн=Uc. В момент t2 в схеме модулятора произойдет очередное переключение, в результате которого в работу вступит ключ 3, а на выходе СИФУ по-прежнему имеем хa=l. Возникшая логическая комбинация у3=ха·х3=1 приведет к выключению транзистора 5 и включению транзистора 6, что сохранит в фазах нагрузки прежние напряжения. Аналогичные переключения произойдут в момент t3 и лишь в момент t4, в связи с появлением на выходе СИФУ логического сигнала хв=1 и выполнения условия у1=хв · x2=1, включится очередной транзистор 4. Это приведет, в соответствии с принципом фазового регулирования, к переключению напряжений в цепях нагрузки, которые примут значения Uан=UВ, Uвн=UС, Uсн=UА. На следующих временных интервалах согласованные переключения в схемах модулятора и демодулятора будут происходить аналогичным образом. Видно, что в результате этих переключений в нагрузке появляется напряжение, по форме тождественное напряжению на выходе НПЧ без звена повышенной частоты. Известно, что в таких преобразователях изменением фазовой задержки моментов переключений осуществляется плавное регулирование напряжения и частоты, причем это регулирование происходит в режиме слежения за величиной, формой и частотой управляющего напряжения на входе СИФУ. Не останавливаясь на известных особенностях фазового регулирования, отметим лишь, что в данном случае это происходит независимо и одновременно с процессами промежуточного преобразования энергии в звене повышенной частоты.}

На фиг.3 приведена схема цепей управления, с помощью которых можно реализовать предлагаемый способ. Схема содержит генератор 7 трехфазной последовательности управляющих импульсов модулятора х₁, х₂, х₃, систему импульсно-фазового управления (СИФУ) 8 с потенциометрическим задатчиком управляющего напряжения Uy на входе и выходными выводами для получения логических сигналов x_а, х_в, х_с, а так же импульсный умножитель 9, входы которого подключены к выходным выводам генератора и СИФУ, а выходы предназначены для получения управляющих импульсов для транзисторов демодулятора у₁, у₂, у₃. Генератор выполнен по кольцевой схеме распределения импульсов на D-триггерах с подключенными на выходах R-S триггерами для формирования трехфазной импульсной последовательности x₁, х₂, х₃. Для задания частоты этих импульсов служит тактовый генератор G, собственная частота которого должна в два раза превышать частоту коммутации модулятора f_к1. Импульсный умножитель предназначен для реализации предлагаемых логических выражений, а потому выполнен на логических элементах совпадения. На первые входы этих элементов поступают упомянутые импульсы с выходов генератора, а на вторые входы - импульсные логические сигналы с выходов СИФУ. Трехвходовые элементы ИЛИ объединяют выходы соответствующих элементов совпадения и служат для выработки управляющих импульсов демодулятора. Работа данного устройства происходит в полном соответствии с предлагаемым алгоритмом.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для плавного регулирования напряжения и частоты на выходе трехфазно-трехфазного преобразователя частоты с многообмоточным трансформатором в звене повышенной частоты. Техническим результатом является обеспечение управления структурными частями преобразователя частоты. В способе регулирования трехфазного напряжения и частоты с промежуточным преобразованием электроэнергии каждая из обмоток многообмоточного трансформатора включается по схеме звезды с помощью коммутирующего элемента в виде транзисторного ключа на выходе трехфазного диодного моста зажимами переменного тока, подключенного к выводам одной из обмоток. Для получения трехфазного питающего напряжения повышенной частоты транзисторы первичных обмоток находятся в режиме чередующегося равноинтервального переключения с постоянной тактовой частотой. Регулирование частоты и величины напряжения нагрузки может осуществляться изменением частоты отпирающих импульсов, подаваемых на транзисторные ключи вторичных обмоток, либо фазовым способом на частоте сети в режиме слежения за величиной и частотой изменения управляющего сигнала путем управления транзисторами вторичных обмоток с помощью логических выражений в функции управляющих импульсов и отпирающих импульсов, подаваемых на транзисторы первичных обмоток. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ регулирования трехфазного напряжения и частоты на выходе трехфазно-трехфазного преобразователя частоты без звена постоянного тока с многообмоточным трансформатором в звене повышенной частоты, на каждом из трех стержней магнитопровода которого размещены три группы первичных и три группы вторичных обмоток, каждая из которых соединяется по схеме звезды с помощью коммутирующего устройства, выполненного в виде транзисторного ключа, установленного на выходе трехфазного диодного моста, зажимами переменного тока соединенного с одноименными выводами (началами или концами) обмоток одной из групп, причем другими одноименными выводами каждые три обмотки, намотанные на разных стержнях, подключены с первичной стороны к одной из фаз питающей сети, а со вторичной стороны - к одному из выводов трехфазной нагрузки, состоящий в том, что, для получения трехфазного питающего напряжения в первичных обмотках повышенной частоты f₁=к₁·_{m· fc, осуществляют поочередное и равноинтервальное переключение трех транзисторных ключей в цепях этих обмоток с частотой fк1=m· (f1+fc) с помощью трехфазной импульсной последовательности х1, х2, х3, где m=3 - пульсность применяемой вентильной схемы, fc=50 Гц - частота сетевого напряжения, к1=1, 2, 3,... - требуемая кратность отношения частоты напряжения в первичных обмотках f1 к частоте сетевых пульсаций mfс, отличающийся тем, что формирование трехфазного напряжения в цепях нагрузки, а также его регулирование в диапазоне частот, меньших частоты питания первичных обмоток f2=f1/к2, ≤ f1 осуществляют установкой частоты коммутации транзисторных ключей во вторичных обмотках согласно выражению}

где к₂=1, 2, 3... - требуемая кратность отношения частоты напряжения в целях нагрузки к частоте питания первичных обмоток трансформатора.

у₁=х_а·_{x1+хв·х2+хс·х3;}

у₂=х_с·_{х1+ха·х2+хв·х3;}

у₃=x_в·_{х1+хс·х2+ха·х3.}