ЦИКЛОКОНВЕРТОР Российский патент 2008 года по МПК H02M5/02 

Изобретение относится к области электротехники и касается вопросов преобразования параметров электрической энергии - частоты и напряжения. Оно может быть использовано для питания различных электрических нагрузок напряжением изменяющейся частоты.

Известен циклоконвертор (преобразователь частоты с непосредственной связью), выполненный на тиристорах с естественной коммутацией («Справочник по преобразовательной технике». Киев: Техника, 1978), осуществляющий преобразование трехфазного тока с частотой f₁ в однофазный ток с частотой f₂ - прототип.

Принятый за прототип преобразователь состоит из двух трехфазных схем выпрямления (нулевая схема), первая из которых присоединена к фазам питающей сети катодами анодной группы, а вторая - анодами катодной группы тиристоров и системы управления, обеспечивающей раздельное управление группами тиристоров. Она включает в свой состав коммутационно-распределительное устройство и задатчик амплитуды выходного напряжения. Отпирающие импульсы, вырабатываемые системой управления, синхронизированные по частоте с напряжением питающей сети, поступают на тиристоры анодной и катодной групп поочередно, со сдвигом относительно точки естественной коммутации тиристоров на угол α. Выходная частота определяется временем, в течение которого проводят ток тиристоры каждой группы. Изменением угла α можно регулировать выходное напряжение. Частота и фаза выходного напряжения задаются отдельным генератором синусоидального напряжения, частоту которого можно менять с помощью задатчика частоты. Угол α меняется задатчиком напряжения, подключенного к системе управления. Открывая поочередно вентили обеих групп, можно получить на выходе переменное напряжение с частотой f₂. При этом f₂<f₁ и определяется уравнением

f₂=f₁·m₁/(2n+m₁),

где: m₁ - число фаз первичной сети;

n - 0, 1, 2, 3...

Если параллельно к такому циклоконвертору добавить еще два аналогичных, у которых фазы внутренних синусоидальных генераторов сдвинуты относительно первого на 120° и 240° соответственно, получим преобразователь трехфазного напряжения с частотой f₁ в трехфазное напряжение с частотой f₂. Здесь в качестве управляющего генератора можно применить любой трехфазный генератор, управляемый по частоте с помощью задатчика частоты.

Недостатком такого циклоконвертора является большой коэффициент нелинейных искажений выходного напряжения К_u>20% и снижение коэффициента мощности преобразователя, что является следствием несинусоидальной формы выходного напряжения и глубокого регулирования углов запаздывания и опережения зажигания при работе групп вентилей в выпрямительном и инверторном режимах.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков известного устройства путем приближения к синусоидальной форме кривой его выходного напряжения.

Это достигается тем, что в состав циклоконвертора, содержащего три тиристорных трехфазно-однофазных преобразователя частоты с непосредственной связью нулевой или мостовой схемы, каждый из которых содержит анодную и катодную группы тиристоров, и систему управления, включающую задатчик амплитуды напряжения и коммутационно-распределительное устройство с двумя входами и шестью выходами, трехфазный генератор синусоидального напряжения низкой частоты и задатчик выходной частоты, причем первые входы коммутационно-распределительных устройств подключены к соответствующим выходам трехфазного генератора синусоидального напряжения низкой частоты, к входу которого подключен задатчик выходной частоты, при этом вторые входы коммутационно-распределительных устройств соединены с выходом задатчика амплитуды напряжения, а их выходы разделены на две группы и подключены к управляющим электродам тиристоров анодной и катодной групп, введены три многофазных, например трехфазных, управляемых трансформатора с вращающимся полем, состоящие из первичных и вторичных трехфазных силовых обмоток и обмотки управления, уложенных в пазы пакетов железа статора или замыкающего ярма. Шихтованный статор кольцевой формы аналогичен статору электродвигателей переменного тока и набирается из листов электротехнической стали. Внутри статора расположено неподвижное замыкающее ярмо, набранное из листов той же стали. Обмотки управления могут быть уложены в пазы упомянутых пакетов статоров или в пазы замыкающего ярма. Все трехфазные силовые обмотки трансформаторов выполнены с 60-градусными фазными зонами с укорочением шага y≈0,8, при этом первичные обмотки каждой одноименной фазы всех трансформаторов с вращающимся полем соединены последовательно и совместно с первичными обмотками других фаз они соединены в звезду и подключены к питающей сети, а вторичные обмотки каждого трансформатора с вращающимся полем соединены в звезду и подключены к силовым входам каждого из трехфазно-однофазных преобразователей. Обмотки управления каждого трансформатора с вращающимся полем подключены к соответствующим выходам трехфазного генератора синусоидального напряжения низкой частоты.

Введение трех управляемых трансформаторов с вращающимся полем позволяет изменить форму напряжения сети, подаваемого на силовые входы трехфазно-однофазных преобразователей частоты. Это напряжение модулируется по амплитуде по синусоидальному закону, причем нули и максимумы модулирующего напряжения совпадают с нулями и максимумами выходного напряжения упомянутых преобразователей частоты. Поэтому на выходе трехфазно-однофазных преобразователей частоты форма напряжения будет уже не прямоугольной, как у прототипа, а синусоидальной. Это - существенный отличительный признак предлагаемого устройства.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства, а на фиг.2 - временные диаграммы напряжений, действующих в разных точках схемы, и поясняющие принцип действия.

Трехфазные управляемые трансформаторы с вращающимся полем 1, 2, 3 (фиг.1) подключены по первичным обмоткам последовательно к питающей сети с частотой f₁. Вторичные обмотки каждого упомянутого трансформатора включены в звезду и подключены к соответствующим силовым входам каждого из трехфазно-однофазных преобразователей частоты 4, 5, 6. При этом управляемые трансформаторы могут быть выполнены многофазными (более трех фаз).

Управляющие обмотки 7, 8, 9 трансформаторов с вращающимся полем соединены с выходами трехфазного генератора синусоидального напряжения низкой частоты 10 с выходной частотой f₂.

Задатчик частоты 11 соединен с входом трехфазного генератора синусоидального напряжения низкой частоты 10, а выход задатчика напряжения 12 - с входами коммутационно-распределительных устройств 13, 14, 15 всех трехфазно-однофазных преобразователей частоты 4, 5, 6. Трехфазно-однофазные преобразователи частоты 4, 5, 6 содержат тиристоры, входящие в катодную 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 и анодную - 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 - группы.

Устройство работает следующим образом (см. фиг.1).

Напряжение сети с частотой f₁ преобразуется управляемыми трансформаторами с вращающимся полем 1, 2, 3 таким образом, что оно модулируется по амплитуде синусоидальным напряжением частотой f₂. Каждый трансформатор с вращающимся полем имеет две трехфазные системы обмоток (входную и выходную) и одну управляющую обмотку. Ток в управляющей обмотке может доводить пакет железа статора (или его ярмо) трансформатора с вращающимся полем до насыщения, при этом коэффициент трансформации стремится к нулю. При питании управляющей обмотки синусоидальным напряжением с частотой f₂ такой трансформатор работает как амплитудный модулятор силового напряжения. Коэффициент модуляции близок к 100%.

Поскольку для входного напряжения все три трансформатора с вращающимся полем по каждой фазе соединены первичными обмотками последовательно, а каждый трансформатор с вращающимся полем управляется разными фазами напряжения с частотой f₂, одновременное насыщение всех трех трансформаторов с вращающимся полем исключено, а значит и нагрузка первичной сети на насыщенные трансформаторы невозможна.

Конструктивно управляемые трансформаторы с вращающимся полем состоят из трехфазных силовых обмоток уложенных в пазы пакетов, набранных из листов электротехнической стали, аналогично пакетам железа статоров обычных электродвигателей переменного тока, а также содержат обмотки управления, уложенные в те же пазы статоров, но намотанные тороидально. Внутрь пакета с силовыми обмотками вкладывается замыкающее ярмо, набираемое также из листов электротехнической стали, аналогично ротору электродвигателя, но закрепленное неподвижно. Обмотки управления в другом варианте могут укладываться в пазы ярма.

Благодаря тому, что трехфазные обмотки трансформаторов с вращающимся полем выполнены с 60-градусными фазными зонами, в фазных электродвижущих силах вторичных обмоток отсутствуют четные гармоники, а укорочением шага обмоток на величину y≈0,8 обеспечивается отсутствие пятой и седьмой гармоник. При симметричном и синусоидальном напряжении сети выходные напряжения трансформаторов с вращающимся полем остаются синусоидальными. Коэффициент искажений трехфазных напряжений на выходе трансформаторов с вращающимся полем остается в пределах К_и=2-3%.

В предлагаемой схеме (см. фиг.1) на вход каждого трехфазно-однофазного преобразователя подается амплитудно-модулированное трехфазное напряжение с выхода соответствующего управляемого трансформатора с вращающимся полем.

Амплитудная модуляция напряжения на входе трехфазно-однофазного преобразователя и управление тиристорами анодной и катодной групп через коммутационно-распределительное устройство производятся одним и тем же напряжением с выхода генератора синусоидального напряжения низкой частоты. Коммутационно-распределительное устройство при действии на его входе положительной полуволны напряжения с генератора синусоидального напряжения низкой частоты формирует отпирающие импульсы, поступающие на тиристоры катодной группы 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24. Все положительные полуволны входного напряжения, поступающего на трехфазно-однофазный преобразователь с вторичных обмоток трансформатора с вращающимся полем, через открытые тиристоры поступают в нагрузку. Таким образом формируется положительная полуволна выходного напряжения с частотой генератора синусоидального напряжения низкой частоты - f₂. Поскольку на входе в трехфазно-однофазный преобразователь напряжение уже модулировано по амплитуде синусоидой с той же частотой и фазой, выходное напряжение имеет синусоидальную форму.

Отрицательная полуволна выходного напряжения формируется таким же образом, но с помощью анодной группы тиристоров 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, включаемой импульсами коммутационно-распределительного устройства на период действия отрицательной полуволны генератора синусоидального напряжения низкой частоты.

В результате на выходе каждого трехфазно-однофазного преобразователя получается напряжение с частотой f₂ и формой, близкой к синусоиде. Поскольку и модуляция в трансформаторах с вращающимся полем, и управление трехфазно-однофазными преобразователями частоты осуществляется одними и теми же напряжениями генератора синусоидального напряжения низкой частоты, сдвинутыми на 120°, выходное напряжение предлагаемого циклоконвертора является трехфазным.

С помощью задатчика напряжения 12, подключенного на второй вход коммутационно-распределительных устройств, можно изменять угол отпирания тиристоров, влияя, таким образом, на величину выходного напряжения.

На фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие формирование одной из фаз выходного напряжения.

Представлены кривые напряжения:

а) - одной из фаз входного (питающего) силового напряжения частотой f₁;

б) - одной из фаз управляющего напряжения на выходе генератора синусоидального напряжения низкой частоты с частотой f₂;

в) - одной из фаз на выходе управляемого трансформатора с вращающимся полем;

г) - трех фаз на выходе трансформатора с вращающимся полем;

д) - на выходе одного из трех трехфазно-однофазных преобразователей частоты.

Частота пульсаций огибающей выходного напряжения определяется как f_п=6·f₁ (f_п=12·f₁), и при частоте сети, например, 400 Гц равна, при 6-пульсной схеме, 2400 Гц (4800 Гц при 12-пульсной схеме). Если частота f₂ выбирается в пределах 20-60 Гц, то коэффициент искажений выходного напряжения лежит в пределах 4-5% без применения фильтров.

При активно-индуктивной нагрузке в прототипе значения углов (α₁, α₂) отпирания тиристоров анодной и катодной групп за каждый период выходного напряжения изменяется в пределах от ≈0° до 180° эл. градусов. В предлагаемом устройстве значения этих углов в течение каждого периода выходного напряжения остается неизменным и минимальным, особенно при больших значениях выходного напряжения. Поскольку ϕ=α значение коэффициента мощности выше чем у прототипа.

Таким образом, выходное напряжение циклоконвертора близко к синусоидальному, что предопределяет значение коэффициента нелинейных искажений на уровне 3-4%, а значение коэффициента мощности остается достаточно высоким при глубоком регулировании значений частоты и напряжения.

Результаты испытаний, проведенные на макете устройства, подтверждают форму кривых, представленных на фиг.2.

Изобретение («Циклоконвертор») относится к области электротехники и обеспечивает технический результат - снижение коэффициента нелинейных искажений выходного напряжения и повышение коэффициента мощности известных тиристорных преобразователей частоты с непосредственной связью. Для этого в состав известного устройства, содержащего три трехфазно-однофазных тиристорных преобразователя частоты с непосредственной связью нулевой или мостовой схемы, каждый из которых содержит анодную и катодную группы тиристоров, и систему управления тиристорами, включающую задатчик амплитуды напряжения, задатчик выходной частоты, трехфазный генератор синусоидального напряжения низкой частоты и коммутационно-распределительное устройство с двумя входами и шестью выходами, причем первые входы коммутационно-распределительных устройств подключены к соответствующим выходам трехфазного генератора синусоидального напряжения низкой частоты, к входу которого подключен задатчик выходной частоты, при этом вторые входы коммутационно-распределительных устройств соединены с выходом задатчика амплитуды напряжения, а их выходы разделены на две группы и подключены к управляющим электродам тиристоров анодной и катодной групп, введены три многофазных, например трехфазных, управляемых трансформатора с вращающимся полем, содержащих кольцевой статор и замыкающее ярмо, выполненные из шихтованной электротехнической стали с пазами, а также первичные и вторичные трехфазные силовые обмотки, уложенные в пазы пакетов железа упомянутых статоров, и обмотки управления, уложенные в те же пазы статора или в пазы замыкающего ярма, причем все трехфазные силовые обмотки трансформаторов выполнены с 60-градусными фазными зонами с укорочением шага, при этом первичные обмотки каждой одноименной фазы всех трансформаторов с вращающимся полем соединены последовательно, а совместно с первичными обмотками других фаз они соединены в звезду и подключены к питающей сети, причем вторичные обмотки каждого трансформатора с вращающимся полем соединены в звезду и подключены к силовым входам каждого из трехфазно-однофазных преобразователей, а обмотки управления каждого трансформатора с вращающимся полем подключены к соответствующим выходам трехфазного генератора синусоидального напряжения низкой частоты. 2 ил.

Циклоконвертор, содержащий три трехфазно-однофазных тиристорных преобразователя частоты с непосредственной связью нулевой или мостовой схемы, каждый из которых содержит анодную и катодную группы тиристоров и систему управления тиристорами, включающую задатчик амплитуды напряжения, задатчик выходной частоты, трехфазный генератор синусоидального напряжения низкой частоты и коммутационно-распределительное устройство с двумя входами и шестью выходами, причем первые входы коммутационно-распределительных устройств подключены к соответствующим выходам трехфазного генератора синусоидального напряжения низкой частоты, к входу которого подключен задатчик выходной частоты, при этом вторые входы коммутационно-распределительных устройств соединены с выходом задатчика амплитуды напряжения, а их выходы разделены на две группы и подключены к управляющим электродам тиристоров анодной и катодной групп, отличающийся тем, что в его состав введены три многофазных, например трехфазных, управляемых трансформатора с вращающимся полем, содержащих кольцевой статор и замыкающее ярмо, выполненные из шихтованной электротехнической стали с пазами, а также первичные и вторичные трехфазные силовые обмотки, уложенные в пазы пакетов железа упомянутых статора или замыкающего ярма, и обмотки управления, уложенные в те же пазы статора или в пазы замыкающего ярма, причем все трехфазные силовые обмотки трансформаторов выполнены с 60-градусными фазными зонами с укорочением шага, при этом первичные обмотки каждой одноименной фазы всех трансформаторов с вращающимся полем соединены последовательно, а совместно с первичными обмотками других фаз они соединены в звезду и подключены к питающей сети, причем вторичные обмотки каждого трансформатора с вращающимся полем соединены в звезду и подключены к силовым входам каждого из трехфазно-однофазных преобразователей, а обмотки управления каждого трансформатора с вращающимся полем подключены к соответствующим выходам трехфазного генератора синусоидального напряжения низкой частоты.