УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ И НАПРЯЖЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2008 года по МПК H02M5/27 

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 и амплитуды.

Известно устройство, содержащее синхронный, многофазный, например трехфазный, генератор переменного тока, подключенный к преобразователю частоты с непосредственной связью (циклоконвертору), выполненному на тиристорах с естественной коммутацией (Справочник по преобразовательной технике. Киев: Техника, 1978), осуществляющему преобразование трехфазного тока генератора с частотой f₁ в однофазный ток с частотой f₂.

Трехфазно-однофазный преобразователь частоты состоит из силового тиристорного блока и системы управления тиристорами. Тиристорный блок включает в себя две трехфазных схемы выпрямления (нулевая схема), первая из которых присоединена к фазам генератора переменного тока катодами анодной группы, а вторая анодами катодной группы тиристоров. Система управления обеспечивает раздельное управление группами тиристоров. 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. Частота и фаза выходного напряжения задаются отдельным управляющим генератором синусоидального напряжения, частоту которого можно менять с помощью задатчика частоты. Открывая поочередно вентили обеих групп, можно получить на выходе переменное напряжение с частотой f₂. При этом f₂<f₁ и определяется уравнением

f₂=f₁·m/(2n+m),

где: m - число фаз на входе преобразователя частоты;

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

Если параллельно к такому преобразователю частоты добавить еще два аналогичных, у которых фазы управляющих 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, регулируемый по частоте с помощью задатчика частоты.

Изменяя постоянное напряжение возбуждения синхронного генератора переменного тока с помощью задатчика амплитуды, можно регулировать амплитуду выходного напряжения генератора переменного тока, а значит и амплитуду выходного напряжения циклоконверторов.

Недостатком такого преобразователя частоты генератора переменного тока является большой коэффициент нелинейных искажений выходного напряжения К_u>20%, что является следствием несинусоидальной формы выходного напряжения преобразователя, т.к. при неизменной амплитуде переменного напряжения генератора переменного тока и определенных, постоянных углах регулирования тиристоров форма кривой выходного напряжения близка к прямоугольной или трапеции.

Известен также преобразователь частоты - (прототип) (Справочник по преобразовательной технике. Киев: Техника, 1978), содержащий три многофазно-однофазных циклоконвертора с непосредственной связью нулевой или мостовой схемы, систему управления тиристорами, управляющий трехфазный генератор синусоидального напряжения, задатчик частоты и задатчик амплитуды, причем силовые входы циклоконверторов подключены к выходам генератора переменного тока, вход системы управления тиристорами каждого циклоконвертора подключен к одному из выходов управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, выход задатчика частоты подключен к входу управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, а обмотка возбуждения синхронного генератора переменного тока соединена с выходом задатчика амплитуды. Система управления тиристорами с целью улучшения формы выходного напряжения изменяет углы открытия тиристоров по определенному закону с выходной частотой f₂

α₁=arcos(νsin(2πf₂t))

α₂=arcos(-νsin(2πf₂t)),

где: α₁ и α₂ - углы регулирования в выпрямительном и инверторном режимах соответственно;

ν=U_2m/U_2mo; U_2m и U_2mo - амплитудное и наибольшее значение выходного напряжения, соответствующие полностью открытым тиристорам.

Кривая выходного напряжения содержит основную гармонику частотой f₂ и пульсирующее напряжение зубчатой формы.

Недостатком такого способа улучшения формы выходного напряжения преобразователя частоты и напряжения генератора переменного тока является значительное уменьшение коэффициента мощности, а коэффициент гармоник выходного напряжения

где: U₁, U_n - первая и «n-ая» гармоники выходного напряжения) остается достаточно велик, порядка 15-20%.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков известного устройства путем уменьшения глубины регулирования углов α₁, α₂ и приближения к синусоидальной форме кривой его выходного напряжения.

Это достигается тем, что в известную схему устройства, содержащую синхронный, многофазный, например трехфазный, генератор переменного тока, три многофазно-однофазных циклоконвертора с непосредственной связью нулевой или мостовой схемы, систему управления тиристорами, управляющий трехфазный генератор синусоидального напряжения, задатчик частоты и задатчик амплитуды, причем силовые входы циклоконверторов подключены к выходам генератора переменного тока, вход системы управления каждого циклоконвертора подключен к одному из выходов управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, выход задатчика частоты подключен к входу управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, а обмотка возбуждения синхронного генератора переменного тока соединена с выходом задатчика амплитуды, дополнительно введены два многофазных, например трехфазных, синхронных генератора переменного тока, имеющих привод, обеспечивающий совпадение по частоте и амплитуде выходных напряжений всех трех генераторов переменного тока, при этом выходы каждого отдельного синхронного генератора переменного тока подключены к силовым входам отдельного многофазно-однофазного циклоконвертора, а обмотки возбуждения всех синхронных генераторов переменного тока соединены в звезду и подключены к выходам управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, эти же выходы подключены к входам систем управления циклоконверторами, а выход задатчика амплитуды подключен ко второму входу управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения.

Введение в устройство дополнительно двух генераторов переменного тока и управление по синусоидальному закону возбуждением роторов позволяет изменить форму силового напряжения, подаваемого на силовые входы трехфазно-однофазных преобразователей частоты. Это силовое напряжение модулируется по амплитуде по синусоидальному закону, причем, поскольку напряжение возбуждения генераторов и напряжение управления преобразователями частоты поступает с выхода одного и того же управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, 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 аналога, 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, поясняющие принцип действия устройства.

Синхронные генераторы переменного тока 1, 2, 3, вырабатывающие трехфазное напряжение с частотой f₁, своими выходами подключены к соответствующим силовым входам каждого из многофазно-однофазных циклоконверторов 4, 5, 6. Обмотки возбуждения 7, 8, 9 синхронных генераторов переменного тока соединены в звезду и подключены к выходам управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения 10 с выходной частотой f₂. К этим же выходам управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения 10 подключены входы систем управления циклоконверторами 13, 14, 15.

Задатчик частоты 11 соединен с первым входом, а задатчик амплитуды 12 - со вторым входом управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения 10.

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

Синхронные генераторы переменного тока 1, 2, 3 вырабатывают напряжения с одинаковой частотой f₁ и амплитудой, причем они могут приводиться во вращение либо общим приводом (например, все генераторы находятся на одном валу с приводным двигателем), либо каждый имеет отдельный двигатель. Обмотки возбуждения синхронных генераторов подключаются к выходам управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения с частотой f₂, а не к источнику постоянного напряжения, как в известном устройстве. В этом случае напряжение на выходах синхронных генераторов модулируется по амплитуде синусоидальным напряжением частотой f₂ с коэффициентом модуляции 100%.

Поэтому на силовой вход каждого многофазно-однофазного циклоконвертора 4, 5, 6 подается амплитудно-модулированное трехфазное напряжение с выхода соответствующего синхронного генератора переменного тока.

Напряжение каждой фазы управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения 10 подключается одновременно к обмотке возбуждения 7, 8, 9 какого-либо синхронного генератора переменного тока и к входу системы управления 13, 14, 15 соответствующего циклоконвертора, силовые входы которого подключены к этому же синхронному генератору. Таким образом, амплитудная модуляция напряжения на входе многофазно-однофазного циклоконвертора и управление циклоконвертором производятся одним и тем же напряжением с выхода управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения. Учитывая, что напряжение на выходе циклоконвертора синфазно управляющему напряжению, и тот факт, что на силовом входе циклоконвертора в предлагаемой схеме действует напряжение, амплитудно-модулированное по синусоидальному закону, выходное напряжение циклоконвертора будет иметь синусоидальную форму.

В результате на выходе каждого многофазно-однофазного циклоконвертора формируется напряжение с частотой f₂ и формой, близкой к синусоиде. Поскольку и модуляция в синхронных генераторах переменного тока, и управление циклоконверторами осуществляется одними и теми же напряжениями управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, сдвинутыми на 120°, выходное напряжение предлагаемого устройства является трехфазным.

Задатчик частоты 11 подключен к первому входу управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, и его уставка влияет на выходную частоту трехфазного генератора синусоидального напряжения, а значит и всего устройства в целом. В предлагаемой схеме задатчик амплитуды 12 подключается не к обмотке возбуждения генератора переменного тока, а ко второму входу трехфазного генератора синусоидального напряжения. С его помощью можно менять выходное напряжение трехфазного генератора синусоидального напряжения, а значит и амплитуду возбуждения, влияя, таким образом, на величину выходного напряжения в нагрузке.

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

Представлены кривые напряжения:

а) одной из фаз на выходе управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения с частотой f₂;

б) одной из фаз на выходе синхронного генератора переменного тока с частотой f₁;

в) всех фаз на выходе одного синхронного генератора переменного тока (например, трехфазного генератора);

г) выходное напряжение одного из трех многофазно-однофазных циклоконверторов.

Частота пульсаций огибающей выходного напряжения предлагаемого устройства определяется (для шестипульсной схемы циклоконвертера) как f_n=2m·f₁, и при частоте синхронного трехфазного (m=3) генератора, например, 400 Гц равна, 2400 Гц. 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 отпирания тиристоров циклоконвертора изменяются при регулировании амплитуды выходного напряжения от ≈0° до 90° эл. градусов. В предлагаемом устройстве значения этих углов остаются минимальными, т.к. амплитуда выходного напряжения определяется не изменением углов α₁, и α₂, а формируется в процессе амплитудной модуляции. Поэтому значение коэффициента мощности выше чем у прототипа.

Таким образом, выходное напряжение циклоконвертора близко к синусоидальному, что предопределяет значение коэффициента нелинейных искажений (при использовании легких фильтров для полосы частот выше 2400 Гц, например, для шестипульсной схемы) 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 на фиг.2.

Изобретение 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. Это достигается тем, что в состав известного устройства, содержащего синхронный, многофазный, например трехфазный, генератор переменного тока, три многофазно-однофазных циклоконвертора с непосредственной связью нулевой или мостовой схемы, систему управления тиристорами, управляющий трехфазный генератор синусоидального напряжения, задатчик частоты и задатчик амплитуды, причем силовые входы циклоконверторов подключены к выходам генератора переменного тока, вход системы управления тиристорами каждого циклоконвертора подключен к одному из выходов управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, выход задатчика частоты подключен к входу управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, а обмотка возбуждения синхронного генератора переменного тока соединена с выходом задатчика амплитуды, введены еще два многофазных, например трехфазных, синхронных генератора переменного тока, приводимых в движение таким образом, что выходные напряжения всех генераторов переменного тока совпадают по частоте и амплитуде, при этом выходы каждого синхронного генератора переменного тока подключены к силовым входам соответствующего многофазно-однофазного циклоконвертора, а обмотки возбуждения всех трех синхронных генераторов переменного тока соединены в звезду и подключены к выходам управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, эти же выходы подключены к входам систем управления циклоконверторами, а выход задатчика амплитуды подключен ко второму входу управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения. 2 ил.

Устройство преобразования частоты и напряжения генератора переменного тока, содержащее синхронный, многофазный, например трехфазный генератор переменного тока, три многофазно-однофазных циклоконвертора с непосредственной связью нулевой или мостовой схемы, систему управления тиристорами, управляющий трехфазный генератор синусоидального напряжения, задатчик частоты и задатчик амплитуды, причем силовые входы циклоконверторов подключены к выходам генератора переменного тока, вход системы управления тиристорами каждого циклоконвертора подключен к одному из выходов управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, выход задатчика частоты подключен к входу управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, а обмотка возбуждения синхронного генератора переменного тока соединена с выходом задатчика амплитуды, отличающееся тем, что в его схему дополнительно введены два многофазных, например трехфазных синхронных генератора переменного тока, имеющих привод, обеспечивающий совпадение по частоте и амплитуде выходных напряжений всех трех генераторов переменного тока, при этом выходы каждого синхронного генератора переменного тока подключены к силовым входам соответствующего многофазно-однофазного циклоконвертора, а обмотки возбуждения всех трех синхронных генераторов переменного тока соединены в звезду и подключены к выходам управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения, эти же выходы подключены к входам систем управления циклоконверторами, а выход задатчика амплитуды подключен ко второму входу управляющего трехфазного генератора синусоидального напряжения.