КАСКАДНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 2020 года по МПК H02M5/458 

Предложение относится к области электротехники и может быть использовано в высоковольтных частотно-регулируемых электроприводах переменного тока. Технический результат предложения заключается в уменьшении количества использованных силовых полностью управляемых полупроводниковых элементов - транзисторов в схеме каскадного преобразователя частоты. Как следствие повышается К.П.Д. такого преобразователя частоты, надежность работы, а также значительно упрощаются система управления и система охлаждения силовых модулей. К достоинствам предложенного каскадного преобразователя частоты так же следует отнести простоту схемотехнической реализации основного составного элемента - однофазного преобразователя частоты.

Известен преобразователь частоты (патент RU 2414043 С1, класс Н02М 5/452, Н02М 7/5387, Н02М 7/5395, Н02М 1/12, Н02Р 27/08, H02J 3/36 26.03.2010 г., Безтрансформаторный преобразователь частоты для регулируемого средневольтного электропривода, Мустафа Георгий Маркович, Демчук Сергей Петрович, Сенов Юрий Михайлович, Ильинский Александр Дмитриевич, номер заявки 2010111413/07), содержащий входной выпрямитель, собранный по схеме трехфазного двухполупериодного выпрямителя на последовательно соединенных тиристорах, конденсаторный делитель напряжения звена постоянного тока и трехфазный трехуровневый инвертор напряжения собранный по схеме с нулевой точкой. Недостаток устройства заключается в том, что потенциал нулевой точки относительно плюсовой и минусовой шины конденсаторного делителя звена постоянного тока будет значительно изменяться ("плавать") в зависимости от изменения нагрузки фаз инвертора и алгоритма работы силовых ключей трехуровнего инвертора напряжения. К недостаткам такой схемы так же следует отнести возможность формирования ограниченного количества уровней линейного напряжения на выходе инвертора напряжения.

Известен преобразователь частоты (патент CN 201057634 U, Three power level integrated intermediate and high voltage frequency converter, Zhi Yang, Jian Wu, Xiaojun Guo, класс H02M 5/44, H02M 5/458, H02M 1/12, H02M 1/14, 23.02.2006 г.), содержащий входной силовой трехфазный трехобмоточный трансформатор две вторичные обмотки которого соединены одна звездой другая треугольником и подключенные на трехфазные двухполупериодные неуправляемые выпрямители напряжения соединенные своими выходами последовательно и организующими трехуровневый источник постоянного напряжения, к которому подключен трехуровневый инвертор напряжения, собранный по схеме с нулевой точкой на полностью управляемых тиристорах. Достоинством такой схемы являются фиксированные уровни напряжения звена постоянного тока, зависящие от уровня напряжения вторичных обмоток трансформатора. К достоинствам известного преобразователя также можно отнести снижение уровня пульсации напряжения звена постоянного тока, за счет организации двенадцатипульсной схемы выпрямления. Недостатком известной схемы является наличие трехобмоточного силового трансформатора рассчитанного на полную мощность электропривода, а так же то, что трехуровневый инвертор напряжения реализован на полностью управляемых тиристорах имеющих ограничение по частоте коммутации и как следствие ограничение частоты формируемого напряжения на выходе преобразователя частоты. Таким образом, недостатком такой схемы является прямая зависимость качества выходного напряжения от частоты коммутации силовых полупроводниковых управляемых ключей инвертора, а так же невозможность масштабирования такой схемы на большую мощность при фиксированных параметрах используемых ключей. К недостаткам такого схемного решения так же следует отнести возможность формирования ограниченного количества уровней линейного напряжения на выходе инвертора напряжения.

Наиболее близким по технической сущности выбранное в качестве прототипа является устройство преобразователя частоты для управления электрической машиной переменного тока (патент US 5625545 А, класс Н02М 7/515, Medium voltage PWM drive and method, Peter W/ Hammond, приоритет заявки 01.05.1994, дата публикации 29.04.1997), содержащее многообмоточный силовой трансформатор и последовательно соединенные ячейки в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты. Каждая ячейка каскадного преобразователя частоты выполнена в виде однофазного преобразователя частоты, вход каждого однофазного преобразователя частоты соединен с выходами вторичных обмоток многообмоточного силового трансформатора, а выходы однофазных преобразователей частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты соединены последовательно и образуют условные начала и концы фаз каскадного преобразователя частоты. Причем условные начала фаз каскадного преобразователя частоты соединены между собой, а условные концы подключены к выводам электродвигателя переменного тока. Достоинством такой схемы является формирование высокого качества напряжения на выходе каскадного преобразователя частоты максимально приближенного по форме к синусоидальному. К достоинствам так же следует отнести масштабируемость и возможность реализации такой схемы электрического преобразователя практически не ограниченной мощности, поскольку наращивание мощности в такой схеме осуществляется за счет наращивания напряжения в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты последовательным соединением ячеек. Недостатком известного преобразователя частоты является наличие большого числа полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей, низкий К.П.Д., высокая стоимость, а также сложная, разветвленная система управления.

Предлагаемый каскадный преобразователь частоты позволит уменьшить в два раза число полностью управляемых полупроводниковых силовых ключей силовой схемы. Предложенная схема каскадного преобразователя частоты характеризуется высокими показателями качества выходного напряжения и может быть использована в качестве устройства регулирования момента, скорости или мощности на валу исполнительного электродвигателя практически любого электропривода переменного тока. Положительным эффектом предложения является повышение К.П.Д., надежности работы и улучшение эксплуатационных характеристик, а также значительно упрощаются система управления и система охлаждения силовых модулей элементарных ячеек каскадного преобразователя частоты.

Описанные преимущества достигаются тем, что каскадный преобразователь частоты содержит силовой согласующий многообмоточный трансформатор, вторичные обмотки которого соединены звездой и содержат выход нулевой точки. А каждый однофазный преобразователь частоты выполнен двухзвенным и содержит неуправляемый трехфазный двухполупериодный выпрямитель напряжения и несимметричный однофазный инвертор напряжения, выполненный на двух транзисторах.

Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в каскадном преобразователе частоты, содержащем систему управления, многообмоточный силовой трансформатор, однофазные преобразователи частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты, причем вход каждого однофазного преобразователя частоты соединен с выходом своей трехфазной вторичной обмотки многообмоточного силового трансформатора, выходы однофазных преобразователей частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты соединены последовательно и образуют условные начала и концы фаз каскадного преобразователя частоты, причем условные начала фаз каскадного преобразователя частоты соединены между собой, а условные концы подключены к выводам электродвигателя переменного тока, первичная обмотка многообмоточного силового согласующего трансформатора подключена к фазам питающей сети, каждый из однофазных преобразователей частоты содержит неуправляемый трехфазный двухполупериодный выпрямитель напряжения, два конденсатора звена постоянного тока соединенные последовательно на шинах звена постоянного тока и инвертор напряжения собранный на транзисторах каждый из которых содержит антипараллельный диод, причем коллектор первого транзистора подключен к положительной шине звена постоянного тока, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора и образуют первый выход однофазного преобразователя частоты, а эмиттер второго транзистора подключен к отрицательной шине звена постоянного тока, управляющие выводы транзисторов каждого однофазного преобразователя частоты подключены к системе управления, предусмотрены следующие отличия каждая из вторичных трехфазных обмоток многообмоточного силового трансформатора соединена звездой и имеет вывод нулевой точки, который подключен к общей точке соединения конденсаторов звена постоянного тока каждого своего однофазного преобразователя частоты и образует второй выход однофазного преобразователя частоты.

Кроме того каскадный преобразователь частоты может быть выполнен так что содержит устройство мягкого пуска и трехфазные автоматические выключатели число которых равно числу обмоток многообмоточного силового трансформатора, причем первый автоматический выключатель включен между первичной обмоткой многообмоточного силового согласующего трансформатора и фазами питающей сети, остальные автоматические выключатели включены каждый между вторичной обмоткой многообмоточного силового согласующего трансформатора и входом каждого однофазного преобразователя частоты устройство мягкого пуска включено параллельно контактам первого автоматического выключателя.

Кроме того каскадный преобразователь частоты может быть выполнен так что содержит коммутационные аппараты, количество которых равно количеству однофазных преобразователей частоты, причем силовые контакты каждого из коммутационных аппаратов подключены параллельно выходным контактам каждого однофазного преобразователя частоты.

Кроме того каскадный преобразователь частоты может быть выполнен так что вторичные обмотки многообмоточного трансформатора напряжения выполнены на разный уровень напряжения, причем вторичные обмотки многообмоточного трансформатора напряжения, подключенные к однофазным преобразователям частоты первого уровня каскадного преобразователя частоты выполнены на номинальное напряжение, которое составляет половину от номинального выходного напряжения каждой фазы каскадного преобразователя частоты, а номинальное напряжение вторичных обмоток многообмоточного трансформатора напряжения подключенных к однофазным преобразователям частоты каждого последующего уровня в два раза меньше номинального напряжения вторичных обмоток многообмоточного трансформатора предыдущего уровня.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг. 1 - представлена базовая схема каскадного преобразователя частоты (для варианта с двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты и тремя (D=3) фазами каскадного преобразователя частоты); на Фиг. 2 - представлена схема каскадного преобразователя частоты с защитными автоматическими выключателями, установленными на входе каждой ячейки и автоматическим выключателем, установленным на входе первичной обмотки силового согласующего трансформатора и устройством мягкого пуска, включенным параллельно вводному автоматическому выключателю (для варианта с двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты и тремя (D=3) фазами каскадного преобразователя частоты), на Фиг. 3 - представлена схема каскадного преобразователя частоты содержащая коммутационные аппараты, предназначенные для исключения из работы вышедшего из строя однофазного преобразователя частоты (для варианта с двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты и тремя (D=3) фазами каскадного преобразователя частоты).

Каскадный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 1 (для варианта с двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты и тремя (D=3) фазами каскадного преобразователя частоты) содержит систему управления 1, многообмоточный силовой трансформатор 2, однофазные преобразователи частоты 3-1÷3-F в каждой из фаз 4-1÷4-D каскадного преобразователя частоты. Вход каждого однофазного преобразователя частоты 3-1÷3-F соединен с выходом своей трехфазной вторичной обмотки 5-1÷5-(F⋅D) многообмоточного силового трансформатора 2. Выходы однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F в каждой из фаз 4-1÷4-D каскадного преобразователя частоты соединены последовательно и образуют условные начала и концы фаз 4-1÷4-D каскадного преобразователя частоты. Условные начала фаз 4-1÷4-D каскадного преобразователя частоты соединены между собой, а условные концы подключены к выводам электродвигателя переменного тока 6. Первичная обмотка 7 многообмоточного силового согласующего трансформатора 2 подключена к фазам питающей сети 8. Каждый из однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F содержит неуправляемый трехфазный двухполупериодный выпрямитель напряжения 9, два конденсатора 10, 11 звена постоянного тока соединенные последовательно на шинах звена постоянного тока и инвертор напряжения 12. Инвертор напряжения 12 собран на транзисторах 13, 14 каждый из которых содержит антипараллельный диод 15, 16. Коллектор первого транзистора 13 подключен к положительной шине звена постоянного тока, эмиттер первого транзистора 13 соединен с коллектором второго транзистора 14 и образуют первый выход однофазного преобразователя частоты 3-1 (3-2÷3-F). Эмиттер второго транзистора 14 подключен к отрицательной шине звена постоянного тока. Управляющие выводы транзисторов 13, 14 каждого однофазного преобразователя частоты 3-1 (3-2÷3-F) подключены к системе управления 1. Каждая из вторичных трехфазных обмоток 5-1÷5-(F⋅D) многообмоточного силового трансформатора 2 соединена звездой и имеет вывод нулевой точки, который подключен к общей точке соединения конденсаторов 10, 11 звена постоянного тока каждого своего однофазного преобразователя частоты 3-1 (3-2÷3-F) и образует второй выход однофазного преобразователя частоты 3-1 (3-2÷3-F).

Каскадный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 2 (для варианта с двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты и тремя (D=3) фазами каскадного преобразователя частоты) содержит устройство мягкого пуска 17 и трехфазные автоматические выключатели 18-1÷18-(F⋅D+1) число которых равно числу обмоток многообмоточного силового трансформатора 2. Первый автоматический выключатель 18-1 включен между первичной обмоткой 7 многообмоточного силового согласующего трансформатора 2 и фазами питающей сети 8. Остальные автоматические выключатели 18-2÷18-(F⋅D+1) включены каждый между вторичной обмоткой 5-1÷5-(F⋅D) многообмоточного силового согласующего трансформатора 2 и входом каждого однофазного преобразователя частоты 3-1 (3-2÷3-F). Устройство мягкого пуска 17 включено параллельно контактам первого автоматического выключателя 18-1.

Каскадный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 3 (для варианта с двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты и тремя (D=3) фазами каскадного преобразователя частоты) содержит коммутационные аппараты 19-1÷19-(F⋅D), количество которых равно количеству однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F. Причем силовые контакты каждого из коммутационных аппаратов 19-1÷19-(F⋅D) подключены параллельно выходным контактам каждого однофазного преобразователя частоты 3-1÷3-F.

Каскадный преобразователь частоты, схема которого представлена на Фиг. 1 ÷ Фиг. 3 (для варианта с двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты и тремя (D=3) фазами каскадного преобразователя частоты) может быть выполнен, так что вторичные обмотки 5-1÷5-(F⋅D) многообмоточного трансформатора 2 напряжения выполнены на разный уровень напряжения. Причем вторичные обмотки 5-1÷5-(F⋅D) многообмоточного трансформатора 2 напряжения, подключенные к однофазным преобразователям частоты 3-1÷3-F первого уровня каскадного преобразователя частоты выполнены на номинальное напряжение, которое составляет половину от номинального выходного напряжения каждой фазы 4-1÷4-D каскадного преобразователя частоты. Номинальное напряжение вторичных обмоток 5-1÷5-(F⋅D) многообмоточного трансформатора 2 напряжения подключенных к однофазным преобразователям частоты 3-1÷3-F каждого последующего уровня в два раза меньше номинального напряжения вторичных обмоток 5-1÷5-(F⋅D) многообмоточного трансформатора 2 предыдущего уровня.

Работа каскадного преобразователя частоты происходит следующим образом.

В схеме каскадного преобразователя частоты, представленной на Фиг. 1 (для варианта с двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты и тремя (D=3) фазами каскадного преобразователя частоты) каждая фаза 4-1 (4-2÷4-D) выполнена с использованием простых и надежных однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F соединенных своими выходными клеммами последовательно и образует схему формирования фазного напряжения каскадного преобразователя частоты. Источником электрической энергии для однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F являются гальванически изолированные друг от друга вторичные обмотки 5-1÷5-(F⋅D) многообмоточного трансформатора 2. При этом каждый из однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F выполнен на стандартных низковольтных компонентах. На выходе каждого из однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F могут быть синтезированы два мгновенных уровня выходного напряжения: +U_d/2 и -U_d/2, где U_d - средний уровень напряжения между положительной и отрицательной шиной звена постоянного тока однофазного преобразователя частоты 3-1 (3-2÷3-F). Из возможных двух уровней мгновенно синтезируемого напряжения +U_d/2 и -U_d/2 используя законы управления широтно импульсной модуляции (ШИМ) при управлении транзисторами 13 и 14 на выходе каждого однофазного преобразователя частоты может быть получено действующее значение напряжения находящееся в диапазоне (-U_d/2…+U_d/2). При этом мгновенные уровни напряжении синтезируемые однофазными преобразователями частоты 3-1÷3-F формируются согласованно для того чтобы получить требуемый уровень мгновенного фазного напряжения на выходе фазы 4-1 (4-2÷4-D) каскадного преобразователя частоты для питания электродвигателя переменного тока 6. Благодаря такой топологии каскадного преобразователя частоты между концами его фаз 4-1 (4-2÷4-D) можно синтезировать практически синусоидальное напряжение для питания электродвигателя переменного тока 6. Следует отметить, что напряжение, синтезируемое одной из фаз 4-1 (4-2÷4-D) каскадного преобразователя частоты формируется независимо от напряжении формируемых другими фазами 4-2÷4-D каскадного преобразователя частоты. Но напряжения синтезируемые фазами 4-1÷4-D каскадного преобразователя частоты должны быть согласованы для осуществления правильной работы электродвигателя переменного тока 6. При этом напряжение синтезируемое каждым из однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F осуществляется меньшим количеством полностью управляемых полупроводниковых элементов - двумя транзисторами 13, 14. Более подробно рассмотрим работу схемы каждого однофазного преобразователя частоты 3-1÷3-F. Выпрямитель напряжения 9 собран по схеме неуправляемого трехфазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 9 для последовательно соединенных конденсаторов 10 и 11 и как два неуправляемых трехфазных однополупериодных выпрямителя напряжения 9 отдельно для каждого из конденсаторов 10 и 11. Уровень среднего значения напряжения на конденсаторах 10 и 11 и на выходе однофазного преобразователя частоты 3-1÷3-F будет зависеть от действующего значения напряжения на выходе вторичных обмоток 5-1÷5-(F⋅D) многообмоточного трансформатора 2, величины емкости конденсаторов 10 и 11 и потребляемой мощности на выходе каскадного преобразователя частоты. Транзисторы 13, 14 и диоды 15, 16 организуют транзисторный полумост и схему инвертора напряжения 12 для синтеза выходного напряжения на выходе каждого однофазного преобразователя частоты 3-1÷3-F. Так при включении первого транзистора 13 на первом выводе однофазного преобразователя частоты 3-1 (3-2÷3-F) подключенного к общей точке соединения транзисторов 13, 14 будет потенциал равный +U_d/2 относительно второго вывода однофазного преобразователя частоты 3-1 (3-2÷3-F) подключенного к нулевой точке вторичных обмоток 5-1÷5-(F⋅D) многообмоточного трансформатора 2 (где U_d - средний уровень напряжения на выходе выпрямителя напряжения). При включении второго транзистора 14 на первом выводе однофазного преобразователя частоты 3-1 (3-2÷3-F) подключенного к общей точке соединения транзисторов 13, 14 будет потенциал равный -U_d/2 относительно второго вывода однофазного преобразователя частоты 3-1 (3-2÷3-F) подключенного к нулевой точке вторичных обмоток 5-1÷5-(F⋅D) многообмоточного трансформатора 2. Изменяя порядок и скважность работы транзисторов 13 и 14 можно изменять действующее значение, частоту и фазу выходного напряжения на выходе однофазного преобразователя частоты 3-1÷3-F. Следует отметить, что при такой схеме должен быть исключен режим одновременного включенного состояния обоих транзисторов 13 и 14. Такая структура позволяет значительно повысить надежность, так как снижается количество полностью управляемых элементов и значительно упрощается система управления, а выход одного либо нескольких элементов схемы каскадного преобразователя частоты не приводят к отказу всего электропривода на основе каскадного преобразователя частоты.

Для плавного пуска многообмоточного трансформатора 2 и плавного заряда конденсаторов 10, 11 в каждом из однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F каскадный преобразователь частоты схема которого представлена на Фиг. 2 (для варианта с двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты и тремя (D=3) фазами каскадного преобразователя частоты) может быть снабжен устройством мягкого пуска 17 и автоматическими выключателями 18-1÷18-(F⋅D+1). Устройство мягкого пуска 17 включено параллельно контактам первого автоматического выключателя 18-1. При необходимости включения каскадного преобразователя частоты устройство мягкого пуска 17 производит намагничивание магнитной системы многообмоточного трансформатора 2 и плавный заряд конденсаторов 10, 11 каждого однофазного преобразователя частоты 3-1÷3-F только после чего включается автоматический выключатель 18-1. При этом все автоматические выключатели 18-2÷18-(F⋅D+1) должны быть включены. Автоматические выключатели 18-1÷18-(F⋅D+1) выполняют роль защитных предотвращая возникновение аварийных ситуации независимо в каждом из однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F и во всем каскадном преобразователе частоты в целом.

На случай отказа одного из однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F в схеме каскадного преобразователя частоты, изображенной на Фиг. 3 (для варианта с двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты и тремя (D=3) фазами каскадного преобразователя частоты) предусмотрена установка коммутационных аппаратов 19-1÷19-(F⋅D). При возникновении аварийной ситуации или отказа одного из однофазных преобразователей частоты 3-1 (3-2÷3-F) коммутационный аппарат 19-1 (19-2÷19-(F⋅D)) зашунтирует выходные контакты неисправного однофазного преобразователя частоты 3-1 (3-2÷3-F) исключая его из последовательной цепи фазы 4-1 (4-2÷4-D) каскадного преобразователя частоты. При этом исправные однофазные преобразователи частоты 3-1÷3-F могут продолжать работать и синтезировать требуемые уровни напряжении каскадного преобразователя частоты для питания электродвигателя переменного тока 6.

С целью повышения качества синтезируемого напряжения на выходе каждой фазы 4-1÷4-D каскадного преобразователя частоты, схема которого представлена на Фиг. 1 (Фиг. 2, Фиг. 3) (для варианта схем с двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты и тремя (D=3) фазами каскадного преобразователя частоты) может быть выполнена так, что вторичные обмотки 5-1÷5-(F⋅D) многообмоточного трансформатора 2 выполнены на разный уровень напряжения. При этом вторичные обмотки 5-1÷5-(F⋅D) многообмоточного трансформатора 2 подключенные к однофазным преобразователям частоты 3-1 первого уровня каждой фазы 4-1 (4-2÷4-D) выполнены на номинальное напряжение, которое составляет половину от номинального выходного напряжения каждой фазы 4-1 (4-2÷4-D) каскадного преобразователя частоты. Номинальное напряжение вторичных обмоток 5-1÷5-(F⋅D) многообмоточного трансформатора 2 подключенных к однофазным преобразователям частоты 3-2 (3-3÷3-F) каждого последующего уровня в два раза меньше номинального напряжения вторичных обмоток 5-1÷5-(F⋅D) многообмоточного трансформатора 2 предыдущего уровня.

Таким образом, предложенный каскадный преобразователь частоты обладает следующими достоинствами:

- позволяет сократить в два раза количество полностью управляемых полупроводниковых элементов силовой структуры каскадного преобразователя частоты;

- значительно упростить систему управления (как аппаратную так и алгоритмическую части системы управления);

- повысить К.П.Д. каскадного преобразователя частоты за счет уменьшения количества полупроводниковых элементов обтекаемых током в каждый момент времени;

- повысить надежность работы каскадного преобразователя частоты;

- возможностью безболезненного исключения из работы любого однофазного преобразователя частоты;

- высокое качество синтезируемого напряжения для питания электродвигателя, низкий уровень гармоник и нелинейных искажении в форме напряжения и тока;

- модульность предложенной структуры обеспечивает унификацию и стандартизацию используемых элементов, а также простоту диагностики, ремонта и замены вышедшего из строя элемента;

- масштабируемость обеспечивается гибкостью построения системы с возможностью повышения напряжения питания тягового электродвигателя путем подключения дополнительных однофазных преобразователей частоты;

- использование низковольтных элементов и компонентов электрического преобразователя при этом такая структура позволяет управлять мощной, высоковольтной нагрузкой;

- увеличение эквивалентной частоты коммутации электрического преобразователя по отношению к частоте коммутации каждого из однофазных преобразователей частоты;

- снижение скорости нарастания напряжения (dU/dt) на нагрузке и помогает избежать резонансов электромагнитных процессов происходящих в электроприводе тягового электродвигателя;

- каждая фаза электрического преобразователя собирается из простых однофазных преобразователей частоты.

Настоящее изобретение относится к электрическим преобразователям частоты мощных электроприводов с высокими показателями качества выходного напряжения и может быть использовано в качестве устройства регулирования момента, скорости или мощности на валу исполнительного электродвигателя практически любого электропривода переменного тока. Техническим результатом изобретения является значительное сокращение числа полностью управляемых полупроводниковых силовых ключей силовой схемы каскадного преобразователя частоты, за счет чего повышается КПД, надежность работы, улучшаются эксплуатационные характеристики каскадного преобразователя частоты, а также значительно упрощаются система управления и система охлаждения силовых модулей элементарных ячеек каскадного преобразователя частоты. Поставленные цели достигаются тем, что каскадный преобразователь частоты содержит силовой согласующий многообмоточный трансформатор, вторичные обмотки которого соединены звездой и содержат выход нулевой точки. А однофазные преобразователи частоты выполнены на двух полностью управляемых силовых ключах. К достоинствам предложенного каскадного преобразователя частоты также следует отнести простоту схемотехнической реализации основного составного элемента - однофазного преобразователя частоты. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Каскадный преобразователь частоты, содержащий систему управления, многообмоточный силовой трансформатор, однофазные преобразователи частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты, причем вход каждого однофазного преобразователя частоты соединен с выходом своей трехфазной вторичной обмотки многообмоточного силового трансформатора, выходы однофазных преобразователей частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты соединены последовательно и образуют условные начала и концы фаз каскадного преобразователя частоты, причем условные начала фаз каскадного преобразователя частоты соединены между собой, а условные концы подключены к выводам электродвигателя переменного тока, первичная обмотка многообмоточного силового согласующего трансформатора подключена к фазам питающей сети, каждый из однофазных преобразователей частоты содержит неуправляемый трехфазный двухполупериодный выпрямитель напряжения, два конденсатора звена постоянного тока, соединенные последовательно на шинах звена постоянного тока, и инвертор напряжения, собранный на транзисторах, каждый из которых содержит антипараллельный диод, причем коллектор первого транзистора подключен к положительной шине звена постоянного тока, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора и образует первый выход однофазного преобразователя частоты, а эмиттер второго транзистора подключен к отрицательной шине звена постоянного тока, управляющие выводы транзисторов каждого однофазного преобразователя частоты подключены к системе управления, отличающийся тем, что каждая из вторичных трехфазных обмоток многообмоточного силового трансформатора соединена звездой и имеет вывод нулевой точки, который подключен к общей точке соединения конденсаторов звена постоянного тока каждого своего однофазного преобразователя частоты и образует второй выход однофазного преобразователя частоты.

2. Каскадный преобразователь частоты по п. 1, отличающийся тем, что содержит устройство мягкого пуска и трехфазные автоматические выключатели, число которых равно числу обмоток многообмоточного силового трансформатора, причем первый автоматический выключатель включен между первичной обмоткой многообмоточного силового согласующего трансформатора и фазами питающей сети, остальные автоматические выключатели включены каждый между вторичной обмоткой многообмоточного силового согласующего трансформатора и входом каждого однофазного преобразователя частоты, устройство мягкого пуска включено параллельно контактам первого автоматического выключателя.

3. Каскадный преобразователь частоты по п. 1, отличающийся тем, что содержит коммутационные аппараты, количество которых равно количеству однофазных преобразователей частоты, причем силовые контакты каждого из коммутационных аппаратов подключены параллельно выходным контактам каждого однофазного преобразователя частоты.

4. Каскадный преобразователь частоты по п. 1, отличающийся тем, что вторичные обмотки многообмоточного трансформатора напряжения выполнены на разный уровень напряжения, причем вторичные обмотки многообмоточного трансформатора напряжения, подключенные к однофазным преобразователям частоты первого уровня каскадного преобразователя частоты, выполнены на номинальное напряжение, которое составляет половину от номинального выходного напряжения каждой фазы каскадного преобразователя частоты, а номинальное напряжение вторичных обмоток многообмоточного трансформатора напряжения, подключенных к однофазным преобразователям частоты каждого последующего уровня, в два раза меньше номинального напряжения вторичных обмоток многообмоточного трансформатора предыдущего уровня.