ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 2005 года по МПК H02M5/451 H02M5/27 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к преобразователям частоты, и может быть использовано, например, в валогенераторных установках с переменной частотой вращения синхронного генератора.

Известны тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью [1].

Такие преобразователи имеют следующие недостатки:

частота выходного напряжения может быть не более 0,3 от частоты сети;

малоудовлетворительная форма выходного напряжения;

малоудовлетворительная форма тока, потребляемого из сети.

Известны также преобразователи, составленные из двух двухквадрантных преобразователей ключевого типа, один из которых выполняет функцию управляемого выпрямителя, а другой - инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Зажимы постоянного напряжения обоих преобразователей подключены к конденсатору. Ключи выполнены на базе IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor (биполярный транзистор с изолированным затвором)). В таких преобразователях коэффициент мощности по первой гармонике тока, потребляемого из сети, может быть равен единице. Пульсации тока малы, т.к. ключи работают на частоте, которая в сотни раз выше частоты источника. Эти пульсации устраняются подключением ко входу и выходу преобразователя конденсаторов. Мощность может передаваться в двух направлениях: как от сети к нагрузке, так и наоборот [2, 3].

Недостатки таких преобразователей следующие:

большая масса и высокая стоимость преобразователя, т.к. в каждом плече помимо транзисторных ключей используются диоды, включенные встречно-параллельно транзисторам.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является широко применяемый в составе судовой валогенераторной установки преобразователь частоты, включающий неуправляемый выпрямитель, вход которого является входом устройства и подключен к источнику переменного напряжения, а выход через сглаживающий реактор подключен ко входу тиристорного инвертора, выход которого через фильтровые реакторы соединен с источником реактивной мощности, выход которого является выходом устройства, причем в качестве источника реактивной мощности применен синхронный компенсатор. У такого преобразователя приемлемая форма выходного напряжения, большой диапазон мощности, в котором можно реализовать такое устройство, относительно низкая стоимость, т.к. в инверторе применены тиристоры, для которых не требуется наличие коммутирующих элементов [4]. Это решение выбрано в качестве прототипа.

Недостатки такого преобразователя следующие:

потребление из сети несинусоидальных токов, в первом приближении форма импульсов прямоугольная с длительностью 120 электрических градусов;

шумность при работе, обусловленная наличием синхронного компенсатора;

необходимость ухода за трущимися деталями компенсатора - щетками и подшипниками;

необходимость применения специальных устройств для запуска компенсатора до рабочего значения частоты выходного напряжения;

большие габариты и стоимость, обусловленные также наличием синхронного компенсатора и стартового двигателя для его запуска.

Задачей предлагаемого решения является уменьшение габаритов и стоимости устройства с сохранением большой перегрузочной способности и исключение в устройстве подвижных частей, требующих периодического технического обслуживания.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в том, что такой преобразователь может работать в диапазоне коэффициента мощности от 0,6 до 1. Кроме того, уменьшается мощность сглаживающего реактора за счет поддержания определенного активного тока в звене постоянного тока даже при отсутствии внешней нагрузки. Улучшается качество потребляемой энергии из питающей сети переменного тока, а также компенсируются искажения напряжения на выходе устройства при подключении несинусоидальной нагрузки.

Поставленная задача решается тем, что преобразователь частоты, включающий неуправляемый выпрямитель, вход которого является входом устройства и подключен к источнику переменного напряжения, а выход подключен через сглаживающий реактор ко входу тиристорного инвертора, выход последнего через первые фильтровые реакторы соединен с выходом устройства, к которому подключены выводы источника реактивной мощности, отличается тем, что в него введен преобразователь, состоящий из первого и второго двухквадрантных преобразователей ключевого типа, зажимы постоянного тока которых подключены к конденсатору, а зажимы переменного тока первого двухквадрантного преобразователя через вторые фильтровые реакторы подключены ко входу устройства, зажимы переменного тока второго двухквадрантного преобразователя через третьи фильтровые реакторы подключены к выходу устройства, а в качестве источника реактивной мощности использованы батареи конденсаторов.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы решают следующие функциональные задачи.

Признаки: "...в него введен преобразователь, состоящий из первого и второго двухквадрантных преобразователей ключевого типа, зажимы постоянного тока которых подключены к конденсатору, а зажимы переменного тока первого двухквадрантного преобразователя через вторые фильтровые реакторы подключены ко входу устройства, зажимы переменного тока второго двухквадрантного преобразователя через третьи фильтровые реакторы подключены к выходу устройства..." - позволяют улучшить качество электроэнергии, форму входного и выходного напряжения устройства, компенсировать все искажения напряжения сети, уменьшить мощность сглаживающего реактора за счет поддержания определенного активного тока в звене постоянного тока даже при отсутствии внешней нагрузки.

Признак: "...в качестве источника реактивной мощности использованы батареи конденсаторов..." - позволяет скомпенсировать реактивную мощность без использования синхронного компенсатора.

Совокупность всех признаков устройства позволяет уменьшить габариты устройства с сохранением большой перегрузочной способности и исключить вращающиеся элементы (синхронный компенсатор и стартовый двигатель), а значит, увеличить надежность работы устройства.

Предлагаемое решение поясняется чертежом, на котором представлена электрическая функциональная схема предлагаемого преобразователя частоты, на котором обозначено: 1 - неуправляемый выпрямитель, 2 - сглаживающий реактор, 3 - тиристорный инвертор, 4 - первые фильтровые реакторы, 5 - вторые фильтровые реакторы, 6 - преобразователь частоты ключевого типа, 7, 8 - первый и второй двухквадрантные преобразователи ключевого типа, 9 - конденсатор звена постоянного напряжения, 10 - третьи фильтровые реакторы, 11 - батареи конденсаторов, U_вх - входное напряжение, U_вых - выходное напряжение. IGBT - биполярный транзистор с изолированным затвором.

Преобразователь частоты состоит из неуправляемого выпрямителя 1, вход которого является входом устройства и подключен к источнику переменного напряжения U_вх, а выход через сглаживающий реактор 2 соединен со входом инвертора 3, выход которого через первые фильтровые реакторы 4 соединен с выходом устройства. На вход устройства через вторые фильтровые реакторы 5 подключен преобразователь 6, состоящий из двух двухквадрантных преобразователей 7 и 8 ключевого типа. Последние представляют собой мосты на IGBT-транзисторах. Зажимы постоянного тока этих преобразователей соединены с конденсатором 9. Зажимы переменного тока преобразователя 7 являются входом преобразователя 6, а зажимы переменного тока преобразователя 8 через третьи фильтровые реакторы 10 подключены к выходу устройства. Кроме того, к выходу устройства подключены батареи 11 конденсаторов, соединенных в треугольник.

Преобразователь частоты работает следующим образом. При подаче напряжения U_вх питающей сети преобразователь 7 работает вначале как неуправляемый выпрямитель, входящие в него транзисторы не включаются. Преобразователь 8 и тиристорный преобразователь, состоящий из элементов 1, 2, 3, 4, не работают. При этом происходит заряд конденсатора 9 до напряжения, практически равного амплитудному значению напряжения сети где u_вх - действующее линейное значение этого напряжения. (Если в процессе заряда конденсатора 9 потребляемые из сети токи превосходят допустимые значения, то на этой стадии работы преобразователя применяют какие-либо токоограничивающие устройства, не показанные на чертеже). Затем вступают в работу транзисторы преобразователя 7, которые включаются и выключаются с частотой коммутации f_к (до 10-20 кГц) и увеличивают напряжение конденсатора 9 до расчетного значения, большего Далее начинают работу, включаясь и выключаясь с частотой f_к, транзисторы преобразователя 8, которые создают систему трехфазных, практически синусоидальных, напряжений на батарее конденсаторов 11. Эти конденсаторы генерируют реактивный ток, проходящий по полупроводниковым приборам (диодам и транзисторам) преобразователя 8. Из-за небольших потерь в конденсаторах 11 ток, потребляемый преобразователем 8 от конденсатора 9, пренебрежительно мал. По этой же причине мал и ток, потребляемый преобразователем 7 из сети. На втором этапе подаются управляющие импульсы на тиристоры инвертора 3. Угол управления ими выбирается таким, чтобы по реактору 2 проходил небольшой по сравнению с номинальным значением, но непрерывный ток i_{p мин}. Ток реактора 2 под нагрузкой больше i_{p мин}, поэтому всегда ток реактора непрерывный, что позволяет, с одной стороны, снизить требуемые значение индуктивности и, следовательно, массу реактора, а с другой стороны улучшается качество работы системы автоматического управления тиристорным преобразователем (при переходе в режим малых, прерывистых токов изменяются динамические характеристики этого преобразователя). Произведение тока i_p реактора 2 на входное напряжение u_d инвертора 3 равно активной мощности, выдаваемой этим инвертором. При отсутствии нагрузки, подключенной к выходу устройства, вся эта мощность возвращается через преобразователи 8 и 7 обратно в сеть. Управление преобразователями 8 и 7 осуществляется так, чтобы на выходе устройства действовала трехфазная симметричная система синусоидальных напряжений u_вых с заданным действующим значением, а токи, проходящие по реакторам 5, практически равнялись отрицательным значениям токов, входящих в выпрямитель 1. Отличие этих токов друг от друга соответствует небольшим потерям мощности во всех элементах преобразователя частоты. Часть реактивного тока, вырабатываемого батареей конденсаторов 11, потребляется инвертором 3, остальной ток конденсаторов по-прежнему замыкается через преобразователь 8, который также потребляет высшие гармоники тока инвертора 3. При подключении нагрузки к выходу устройства она потребляет активные и реактивные токи: реактивные токи получаются от батареи конденсаторов 11, а при увеличении их сверх некоторого значения и от преобразователя 8, который, как и при работе вхолостую, обеспечивает систему трехфазных синусоидальных напряжений на выходе устройства при заданном действующем значении u_вых. Активная мощность проходит через тиристорный преобразователь, состоящий из элементов 1, 2, 3, 4. Высшие гармоники токов, потребляемых выпрямителем 1 и генерируемых инвертором 3, замыкаются через преобразователи 7 и 8.

Таким образом, обеспечиваются синусоидальная форма как выходного напряжения устройства, так и токов, потребляемых им из сети. Батареи конденсаторов 11 совместно с преобразователем 8 образуют регулируемый источник реактивной мощности, потребляемой нагрузкой и инвертором 3, что позволяет отказаться от применения синхронного компенсатора или какого-либо другого регулируемого источника реактивной мощности (например, параллельного включения батареи конденсатора и управляемого реактора).

Источники информации

1. Электротехнический справочник: В 3-х т. Т.2 Электротехнические изделия и устройства. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с.643-644.

2. Эпштейн В.И., Пронин М.В. Автоматические электроэнергетические системы с асинхронными генераторами, двигателями и транзисторными преобразователями. Электрофорум, 2001, N 2, с.19-20.

3. Mohan N., Undeland T.M., Robins W.P. Power Electronics: Converters, applications and design. - Hobaken (USA): John Wiley (Sons, Inc, 2003, с.200-236, 494-503.

4. Дмитриев B.C. Современные валогенераторные установки трехфазного переменного тока стабильной частоты // Морской транспорт: Обзорная информация. Сер. Техническая эксплуатация флота./ ЦБНТИ ММФ, 1974, с.34.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к преобразователям частоты, и может быть использовано, например, в валогенераторных установках с переменной частотой вращения синхронного генератора. Технический результат заключается в уменьшении стоимости и габаритов устройства с сохранением большой перегрузочной способности и исключении подвижных частей (надежность, простота эксплуатации). Для этого устройство состоит из неуправляемого выпрямителя, вход которого является входом устройства, сглаживающего реактора, тиристорного инвертора, первых, вторых и третьих фильтровых реакторов, источника реактивной мощности, в качестве которого использованы батареи конденсаторов, при этом на вход устройства через вторые фильтровые реакторы подключены зажимы переменного тока первого двухквадрантного преобразователя ключевого типа, а на выход устройства через третьи фильтровые реакторы подключены зажимы переменного тока второго двухквадрантного преобразования ключевого типа, зажимы постоянного тока этих преобразователей подключены к конденсатору. 1 ил.

Преобразователь частоты, включающий неуправляемый выпрямитель, вход которого является входом устройства и подключен к источнику переменного напряжения, а выход подключен через сглаживающий реактор ко входу тиристорного инвертора, выход последнего через первые фильтровые реакторы соединен с выходом устройства, к которому подключены выводы источника реактивной мощности, отличающийся тем, что в него введен преобразователь, состоящий из первого и второго двухквадрантных преобразователей ключевого типа, зажимы постоянного тока которых подключены к конденсатору, а зажимы переменного тока первого двухквадрантного преобразователя через вторые фильтровые реакторы подключены ко входу устройства, зажимы переменного тока второго двухквадрантного преобразователя через третьи фильтровые реакторы подключены к выходу устройства, а в качестве источника реактивной мощности использованы батареи конденсаторов.