НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ТИПА КОНВЕРТОРА НАПРЯЖЕНИЯ ИЛИ КОНВЕРТОРА ТОКА Российский патент 2012 года по МПК H02M5/27 

Изобретение относится к полупроводниковым преобразователям и может быть использовано для безтрансформаторного непосредственного преобразования трехфазного переменного напряжения в переменное, регулируемое по величине и частоте. Такие преобразователи могут быть использованы в системах генерирования переменного тока и в системах частотного регулирования двигателей переменного напряжения.

Известен непосредственный преобразователь частоты типа конвертора напряжения, образованный из совокупности трехфазных нулевых схем выпрямления на ключах переменного тока, к выходам схем подключаются фазы нагрузки, а соответствующие входы объединены и образуют входы трехфазного преобразователя часты (Чехет Э.М. и др. Непосредственные преобразователи частоты для электропривода. - Киев: Наукова думка, 1988, стр.15, рис.2г). В таком преобразователе коэффициент преобразования по напряжению не может быть больше единицы (максимально - 0,87) в качестве ключей используются либо включенные встречно-параллельно запираемые тиристоры, либо транзисторы.

Однако указанный преобразователь имеет ограниченные функциональные возможности, так как не позволяет получать выходное напряжение больше входного.

Известен также непосредственный преобразователь частоты типа конвертора тока, являющийся прототипом (Н.Nikkhajoei A Current Source Converter for High-Power Application, Proc. PESC2007, 2007, CD, paper 1-4244-0655-2/07 IEEE Fig.1). Он содержит три группы входных ключей переменного тока, соединенных одними концами в звезду, а вторыми концами объединенных между группами и образующих вход преобразователя частоты. В нем также присутствует три последовательно включенных фильтровых реактора на входе, три фильтровых конденсатора на выходе, соединенных звездой. Такой преобразователь, помимо регулирования частоты выходного напряжения, позволяет регулировать величину выходного напряжения выше величины входного напряжения.

Однако указанное устройство имеет ограниченные функциональные возможности из-за ограничения по регулированию вниз выходного напряжения конвертора, что требуется при снижении частоты выходного напряжения, а также ограничения по динамике регулирования выходного напряжения.

Задачей предлагаемого изобретения является создание непосредственного преобразователя частоты типа конвертора напряжения или конвертора тока с расширенными функциональными возможностями за счет расширения регулирования вниз выходного напряжения конвертора и за счет улучшения динамических возможностей регулирования напряжения.

Это задача достигается тем, что в непосредственном преобразователе частоты типа конвертора напряжения или конвертора тока, содержащем входные ключи переменного тока, объединенные в три группы, число которых равно числу выходных фаз преобразователя, входные ключи соединены в каждой группе одними концами и образуют трехфазную звезду, по числу фаз входного напряжения, другие концы упомянутых ключей каждой группы соединены с соответствующими другими концами входных ключей всех других групп и образуют вход вентильной части преобразователя частоты, содержащего еще три входных фильтровых реактора в каждой входной фазе преобразователя, а также три выходных фильтровых конденсатора, подключенные одними своими концами к выходу вентильной части преобразователя, образующим выход непосредственного преобразователя частоты, отличающийся тем, что к входам вентильной части преобразователя также дополнительно подключены одними своими концами три входных коммутируемых фильтровых конденсатора, вторые концы которых подключены к входам блока коммутатора входных фильтровых конденсаторов, состоящего из диодной трехфазной мостовой схемы выпрямления, к выходу которой подключен полностью управляемый вентиль, при этом ко вторым концам трех выходных коммутируемых фильтровых конденсаторов подключены входы коммутатора выходных фильтровых конденсаторов, состоящего из диодной трехфазной мостовой схемы выпрямления, к выходу которой подключен полностью управляемый вентиль.

На фиг.1 предоставлена схема предлагаемого непосредственного преобразователя частоты типа конвертора напряжения или конвертора тока, рассматриваемого на примере преобразователя трехфазного входного напряжения в трехфазное выходное напряжение, на фиг.2 показана схема преобразователя для режима конвертора напряжения, на фиг.3 показана схема преобразователя для режима конвертора тока.

Предлагаемый непосредственный преобразователь частоты типа конвертора напряжения или конвертора тока (фиг.1) трехфазного содержит блок входных фильтровых реакторов 1, блок коммутируемых входных фильтровых конденсаторов 2, блок коммутатора входных фильтровых конденсаторов 3, блок вентильной части непосредственного преобразователя частоты 4, блок коммутируемых выходных фильтровых конденсаторов 5, блок коммутатора выходных фильтровых конденсаторов 6. Блок входных фильтровых реакторов 1, содержащий реакторы 7-9, включен между входом преобразователя частоты и входом вентильной части непосредственного преобразователя частоты 4, имеющего девять ключей переменного напряжения (10-18), а к точке их соединения подключен блок входных фильтровых конденсаторов 2, содержащий конденсаторы 19-21, к выходу этого блока подключен блок коммутатора входных конденсаторов 3, выполненного по диодной трехфазной мостовой схеме 22, на выходе которой включен полностью управляемый вентиль 23. К выходу вентильной части непосредственного преобразователя частоты, образующему выход непосредственного преобразователя частоты типа конвертора напряжения или конвертора тока, подключен блок коммутируемых выходных конденсаторов 5, состоящий из конденсаторов 24-26, к выходу этого блока подключен блок коммутатора выходных фильтровых конденсаторов 6, выполненного на диодной трехфазной мостовой схеме 27, на выходе которой включен полностью управляемый вентиль 28.

Непосредственный преобразователь частоты типа конвертора напряжения или конвертора тока работает следующим образом. Он может функционировать в одном из двух режимов - режиме конвертора напряжения и режиме конвертора тока. В первом случае он превращается в непосредственный преобразователь частоты типа конвертора напряжения (матричный преобразователь напряжения), изображенный на фиг.2. Для этого полностью управляемый вентиль 23 должен быть включен, а полностью управляемый вентиль 28 - выключен. При этом блок коммутатора входных фильтровых конденсаторов 3 подключает входные фильтровые конденсаторы 19-21 к входу вентильной части непосредственного преобразователя частоты на ключах 10-18, соединяя конденсаторы в звезду через мостовую схему 22 и полностью управляемый вентиль 23. Наоборот, выключение полностью управляемого вентиля 28 разрывает точку соединения выходных фильтровых конденсаторов 24-26 через мостовую схему 27 и вентиль 28 и тем самым отсоединяет их от выхода преобразователя.

Во втором случае непосредственный преобразователь частоты превращается в непосредственный преобразователь частоты типа конвертора тока (матричный преобразователь тока), изображенный на фиг.3. Для этого полностью управляемый вентиль 23 должен быть выключен, а полностью управляемый вентиль 28 - включен. Выключение полностью управляемого вентиля 23 отключает входные фильтровые конденсаторы 19-21 от входа вентильной части непосредственного преобразователя частоты на ключах 10-18, разъединяя их звезду через мостовую схему 22 и вентиль 23. Наоборот, включение полностью управляемого вентиля 28 включает в звезду выходные фильтровые конденсаторы 24-26 через мостовую схему 27 и вентиль 28 и тем самым подсоединяет их к выходу преобразователя.

Во всем диапазоне регулирования частоты и величины выходного напряжения от нуля до уровня входного напряжения непосредственный преобразователь работает как конвертор напряжения, динамика регулирования напряжения которого ограничена только частотными свойствами ключей переменного напряжения, т.е. практически регулирование безынерционное. При достижении предельного значения выходного напряжения для этого режима и необходимости дальнейшего повышения величины выходного напряжения преобразователя он переводится указанным выше образом в режим конвертора тока. Здесь уже величина выходного напряжения преобразователя может, как известно, значительно превышать величину входного напряжения в зависимости от алгоритма управления и параметров нагрузки. Динамика его регулирования при этом будет определяться параметрами выходной цепи и преобразователя.

Таким образом, предлагаемый непосредственный преобразователь частоты типа конвертора напряжения или конвертора тока имеет более широкие функциональные возможности за счет способности регулирования величины выходного напряжения от нулевого значения до значений, значительно превышающих уровень входного напряжения, и за счет того, что в большей части диапазона регулирования выходного напряжения нет ограничений по динамике его регулирования.

Предлагаемое изобретение «непосредственный преобразователь частоты типа конвертора напряжения или конвертора тока» относится к полупроводниковым преобразователям и может быть использовано для безтрансформаторного непосредственного преобразования трехфазного переменного напряжения в переменное, регулируемое по величине и частоте. Такие преобразователи могут быть использованы в системах генерирования переменного напряжения и в системах частотного регулирования двигателей переменного напряжения. В классическую схему непосредственного преобразователя частоты, содержащего девять ключей переменного тока, введены также последовательные входные фильтровые реакторы, входные коммутируемые фильтровые конденсаторы, выходные коммутируемые фильтровые конденсаторы, причем коммутируемые фильтровые конденсаторы своими вторыми концами подключены соответственно к входам входных и выходных коммутаторов на диодных трехфазных мостовых схемах выпрямления, на выходах которых включены полностью управляемые вентили (транзисторы). В зависимости от состояния полностью управляемых вентилей коммутируемые конденсаторы подключаются ко входу или выходу преобразователя, превращая его соответственно в матричный конвертор напряжения или тока. Режим матричного конвертора тока позволяет получать технический результат - напряжение на выходе больше входного, режим матричного конвертора напряжения в большей части диапазона регулирования выходного напряжения не вносит ограничений в динамику его регулирования. 3 ил.

Непосредственный преобразователь частоты типа конвертора напряжения или конвертора тока, содержащий входные ключи переменного тока, объединенные в три группы, число которых равно числу выходных фаз преобразователя, входные ключи соединены в каждой группе одними концами и образуют трехфазную звезду, по числу фаз входного напряжения, другие концы упомянутых ключей каждой группы соединены с соответствующими другими концами входных ключей всех других групп и образуют вход вентильной части преобразователя частоты, содержащего еще три входных фильтровых реактора в каждой входной фазе преобразователя, а также три выходных фильтровых конденсатора, подключенные одними своими концами к выходу вентильной части преобразователя, образующему выход непосредственного преобразователя частоты, отличающийся тем, что к входам вентильной части преобразователя также дополнительно подключены одними своими концами три входных коммутируемых фильтровых конденсатора, вторые концы которых подключены к входам блока коммутатора входных коммутируемых фильтровых конденсаторов, состоящего из диодной трехфазной мостовой схемы выпрямления, к выходу которой подключен полностью управляемый вентиль, при этом ко вторым концам трех выходных коммутируемых фильтровых конденсаторов подключены входы коммутатора выходных фильтровых конденсаторов, состоящего из диодной трехфазной мостовой схемы выпрямления, к выходу которой подключен полностью управляемый вентиль.