КАСКАДНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С УВЕЛИЧЕННЫМ ЧИСЛОМ УРОВНЕЙ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК H02M5/458 H02P27/06 

Предложение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности, к статическим каскадным электрическим преобразователям частоты и может быть использовано в высоковольтных частотно-регулируемых электроприводах переменного тока большой мощности с высокими показателями качества синтезируемого напряжения.

Технический результат предложения заключается в увеличении количества уровней мгновенно синтезируемого напряжения и частоты модулированного напряжения на выходе каскадного преобразователя частоты. Как следствие повышается качество напряжения на нагрузке, значительно снижается дисперсия напряжения, и тока, а также снижается скорость нарастания напряжения (dU/dt) на нагрузке что помогает избежать резонансов электромагнитных процессов. Такой преобразователь частоты позволит значительно увеличить срок эксплуатации электрической машины, так как питание обмоток осуществляется практически синусоидальным напряжением, что значительно продлевает срок службы изоляции. При этом токи, потребляемые электрической машиной, будут практически синусоидальными, что положительно скажется на величине пульсации электромагнитного момента, а, следовательно, и виброшумовых характеристиках электрической машины и сроке эксплуатации ее подшипников. Кроме того, предложенная схема каскадного преобразователя частоты позволяет использовать распространенные, отработанные и недорогие низковольтные электронные элементы и компоненты в каждой элементарной ячейке каскадного 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., Бестрансформаторный 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 трехуровневого 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 convertor, 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 также 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 также невозможность масштабирования такой схемы на большую мощность при фиксированных параметрах используемых полупроводниковых ключей. К недостаткам такого схемного решения так же следует отнести возможность формирования ограниченного количества уровней линейного напряжения на выходе инвертора напряжения.

Известен преобразователь 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, выполненного с двухуровневым инвертором напряжения. 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 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. Недостатком известного каскадного преобразователя частоты является ограниченное число уровней синтезируемого напряжения на выходе, сложная схема намотки и соединения вторичных обмоток согласующего трансформатора, высокая стоимость, а также сложная, разветвленная система управления.

Наиболее близким по технической сущности выбранное в качестве прототипа является устройство каскадного преобразователя частоты (МПК Н02М 7/527, Н02М 7/483, Н02М 7/53862, Н02Р 27/08, патент RU 2510769 (С1), дата подачи заявки 14.11.2012, Хакимьянов М.И., Шабанов В.А., Многоуровневый преобразователь частоты с дифференцированными напряжениями уровней и байпасными полупроводниковыми ключами) содержащее согласующий многообмоточный трансформатор, однофазные преобразователи частоты выполненные на разный уровень напряжения и электрический двигатель обмотки, которого соединены звездой. Вторичные обмотки трансформатора, подключенные к однофазным преобразователям частоты разного уровня, выполнены на разный уровень напряжения. Число однофазных преобразователей частоты кратно числу фаз электродвигателя. Причем однофазные преобразователи частоты в каждой из фаз каскадного электрического преобразователя своими выходными контактами соединены последовательно между собой. Условные начала фаз каскадного электрического преобразователя соединены между собой, а условные концы фаз подключены к фазам электродвигателя. Техническим результатом является получение увеличенного числа уровней напряжения на выходе каскадного преобразователя частоты при том же количестве однофазных преобразователей частоты и вторичных обмоток согласующего трансформатора.

К недостаткам известной схемы относится наличие нестандартного, сложного и дорогого согласующего трансформатора напряжения. Вторичные обмотки согласующего трансформатора, подключенные к однофазным преобразователям частоты разных уровней каскадного преобразователя частоты, должны быть выполнены на разный уровень напряжения. К недостаткам также следует отнести и то, что однофазные преобразователи частоты разных уровней должны быть выполнены либо на разной элементной базе, либо элементная база и компоненты низковольтных ячеек будут иметь большой запас по напряжению.

Предлагаемый каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения позволит увеличить в два раза количество уровней синтезируемого напряжения по сравнению со схемой прототипа, при этом количество вторичных обмоток трансформатора останется тем же самым. 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 качества синтезируемого напряжения, лучшие энергетические и виброшумовые характеристики электропривода при прочих равных условиях, высокий показатель надежности работы и улучшение эксплуатационных характеристик. Кроме того, класс по напряжению используемых силовых полупроводниковых элементов может быть снижен вдвое при прочих равных условиях.

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 выпрямитель напряжения и трехуровневый инвертор напряжения, выполненный на двух полумостах каждый из которых содержит четыре транзистора.

Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в каскадном преобразователе частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения, содержащем систему управления, согласующий 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 трансформатора подключена к фазам питающей сети, предусмотрены следующие отличия: каждая вторичная обмотка многообмоточного силового трансформатора соединена звездой и содержит вывод нулевой точки, а каждый однофазный преобразователь частоты содержит выпрямитель напряжения, трехуровневый инвертор напряжения, содержащий два полумоста каждый из которых выполнен на четырех транзисторах, и два конденсатора звена постоянного тока соединенных последовательно и подключенных к плюсовому и минусовому выводу выпрямителя напряжения, причем вывод нулевой точки каждой вторичной обмотки многообмоточного силового трансформатора соединен с общей точкой соединения конденсаторов, а трехуровневый инвертор напряжения своими входными контактами подключен к плюсовому и минусовому выводу выпрямителя напряжения и к общей точке соединения конденсаторов.

Кроме того, каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения может быть выполнен так, что полумосты трехуровневого инвертора напряжения каждого из однофазных преобразователей частоты выполнены на четырех транзисторах по схеме с нулевой точкой.

Кроме того, каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения может быть выполнен так что полумосты трехуровневого инвертора напряжения каждого из однофазных преобразователей частоты выполнены на четырех транзисторах по схеме с Т-образным мостом.

Кроме того, каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения может быть выполнен так, что выпрямитель напряжения каждого из однофазных преобразователей частоты выполнен управляемым.

Кроме того, каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения может быть выполнен так, что первичная и вторичные обмотки многообмоточного силового трансформатора выполнены многофазными.

Кроме того, каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения может быть выполнен так что вторичные обмотки многообмоточного силового трансформатора выполнены на разный уровень напряжения таким образом, чтобы при количестве последовательно включенных однофазных преобразователей частоты в каждой из фаз равным N, полное номинальное выходное напряжение однофазного преобразователя частоты К-ого уровня в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты определяется согласно зависимости где U_max - максимальное напряжение фазы каскадного преобразователя частоты, при этом число уровней фазного напряжения, синтезируемое фазой каскадного преобразователя частоты, будет равно 2⋅3^N-1.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг. 1 представлена схема каскадного преобразователя частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения (для варианта с тремя (S=3) фазами каскадного преобразователя частоты и двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты); на Фиг. 2 представлена схема каскадного преобразователя частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения трехуровневый инвертор каждой ячейки однофазного преобразователя частоты которого выполнен по схеме с нулевой точкой (для варианта с тремя (S=3) фазами каскадного преобразователя частоты и двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты); на Фиг. 3 - схема каскадного преобразователя частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения трехуровневый инвертор каждой ячейки однофазного преобразователя частоты которого выполнен по схеме с Т-образным мостом (для варианта с тремя (S=3) фазами каскадного преобразователя частоты и двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты); на Фиг. 4 - схема каскадного преобразователя частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения выпрямитель напряжения каждой ячейки однофазного преобразователя частоты которого выполнен управляемым (для варианта с тремя (S=3) фазами каскадного преобразователя частоты и двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты); на Фиг. 5 - схема каскадного преобразователя частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения, первичная и вторичные обмотки многообмоточного силового трансформатора которого, выполнены многофазными (для варианта с тремя (S=3) фазами каскадного преобразователя частоты и двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты); на Фиг. 6 - осциллограммы напряжения фазы каскадного преобразователя частоты, которая состоит из двух однофазных преобразователей частоты питающихся от вторичных обмоток силового согласующегося трансформатора выполненных с одинаковым уровнем напряжения; на Фиг. 7 - осциллограммы напряжения фазы каскадного преобразователя частоты, которая состоит из двух однофазных преобразователей частоты питающихся от вторичных обмоток силового согласующегося трансформатора выполненных с разным уровнем напряжения, на Фиг. 8 - схема каскадного преобразователя частоты содержащего вводной автоматический выключатель параллельно которому установлено устройство мягкого пуска.

Каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения, схема которого представлена на Фиг. 1 (для варианта с тремя (S=3) фазами каскадного преобразователя частоты и двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты) содержит систему управления 1, согласующий многообмоточный силовой трансформатор 2, однофазные преобразователи частоты 3-1÷3-F в каждой из фаз 4-1÷4-S каскадного преобразователя частоты. Вход каждого однофазного преобразователя частоты 3-1÷3-F соединен с выходом своей трехфазной вторичной обмотки 5-1÷5-(F⋅S) многообмоточного силового трансформатора 2. Выходы однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F в каждой из фаз 4-1÷4-S каскадного преобразователя частоты соединены последовательно и образуют условные начала и концы фаз 4-1÷4-S каскадного преобразователя частоты. Причем условные начала фаз 4-1÷4-S каскадного преобразователя частоты соединены между собой, а условные концы подключены к выводам электродвигателя переменного тока 6. Первичная обмотка 7 многообмоточного силового трансформатора 2 подключена к фазам питающей сети 8. Каждая вторичная обмотка 5-1÷5-(F⋅S) многообмоточного силового трансформатора 2 соединена звездой и содержит вывод нулевой точки. Каждый однофазный преобразователь частоты 3-1÷3-F содержит выпрямитель напряжения 9, трехуровневый инвертор напряжения 10, содержащий два полумоста 11 и 12 каждый из которых выполнен на четырех транзисторах 13, 14, 15, 16, и два конденсатора 17, 18 звена постоянного тока. Конденсаторы 17 и 18 соединены последовательно и подключены к плюсовому и минусовому выводу выпрямителя напряжения 9. Вывод нулевой точки каждой вторичной обмотки 5-1÷5-F многообмоточного силового трансформатора 2 соединен с общей точкой соединения конденсаторов 17 и 18. Трехуровневый инвертор напряжения 10 своими входными контактами подключен к плюсовому и минусовому выводу выпрямителя напряжения 9 и к общей точке соединения конденсаторов 17 и 18.

Каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения, схема которого представлена на Фиг. 2 (для варианта с тремя (S=3) фазами каскадного преобразователя частоты и двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты) может быть выполнен так, что полумосты 11, 12 трехуровневого инвертора напряжения 10 каждого из однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F выполнены на четырех транзисторах 13, 14, 15, 16 по схеме с нулевой точкой.

Каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения, схема которого представлена на Фиг. 3 (для варианта с тремя (S=3) фазами каскадного преобразователя частоты и двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты) может быть выполнен, так что полумосты 11, 12 трехуровневого инвертора напряжения 10 каждого из однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F выполнены на четырех транзисторах 13, 14, 15, 16 по схеме с Т-образным мостом.

Каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения, схема которого представлена на Фиг. 4 (для варианта с тремя (S=3) фазами каскадного преобразователя частоты и двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты) может быть выполнен, так что выпрямитель напряжения 9 каждого из однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F выполнен управляемым.

Каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения, схема которого представлена на Фиг. 5 (для варианта с тремя (S=3) фазами каскадного преобразователя частоты и двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты) может быть выполнен, так что первичная 7 и вторичные обмотки 5-1÷5-(F⋅S) многообмоточного силового трансформатора 2 выполнены многофазными.

Каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения, схема которого представлена на Фиг. 1-Фиг. 5 (для варианта с тремя (S=3) фазами каскадного преобразователя частоты и двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты) может быть выполнен, так что вторичные обмотки 5-1÷5-(F⋅S) многообмоточного силового трансформатора 2 выполнены на разный уровень напряжения таким образом, чтобы при количестве последовательно включенных однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F в каждой из фаз 4-1÷4-S равным N, полное номинальное выходное напряжение однофазного преобразователя частоты 3-1÷3-F К-ого уровня в каждой из фаз 4-1÷4-S каскадного преобразователя частоты определяется согласно зависимости где U_max - максимальное напряжение фазы каскадного преобразователя частоты. При этом число уровней фазного напряжения, синтезируемое фазой 4-1÷4-S каскадного преобразователя частоты будет равно 2⋅3^N-1.

Работа каскадного преобразователя частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения происходит следующим образом.

В схеме каскадного преобразователя частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения, представленной на Фиг. 1 (для варианта с тремя (S=3) фазами каскадного преобразователя частоты и двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты) каждая фаза 4-1 (4-2÷4-S) 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⋅S) многообмоточного трансформатора 2. При этом каждый из однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F выполнен на основе трехуровневого инвертора напряжения 10 состоящего из двух полумостов 11, 12 каждый из которых выполнен на четырех транзисторах 13, 14, 15, 16. Такая схема трехуровневого инвертора напряжения 10 позволяет использовать низковольтные транзисторы 13, 14, 15, 16 в каждом из полумостов 11, 12 для синтеза пяти (трех по модулю) мгновенных уровней выходного напряжения: +U_d, +U_d/2, 0, -U_d/2, -U_d, где U_d - средний уровень напряжения между положительной и отрицательной шиной звена постоянного тока однофазного преобразователя частоты 3-1 (3-2÷3-F). При этом мгновенные уровни напряжении синтезируемые однофазными преобразователями частоты 3-1÷3-F в каждой из фаз 4-1 (4-2÷4-S) формируются согласованно для того чтобы получить требуемый уровень мгновенного фазного напряжения на выходе фазы 4-1 (4-2÷4-S) каскадного преобразователя частоты для питания электродвигателя переменного тока 6. Так при одинаковом номинальном напряжении питания каждого однофазного преобразователя частоты 3-1÷3-F и при количестве последовательно включенных однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F в каждой из фаз 4-1 (4-2÷4-S) равным N, в каждой из фаз 4-1 (4-2÷4-S), обеспечивается 1+4⋅N уровней выходного фазного напряжения. Так при двух однофазных преобразователях частоты 3-1÷3-F в каждой из фаз 4-1 (4-2÷4-S) возможно получение девяти уровней фазного напряжения. На Фиг. 6 представлена осциллограмма напряжения фазы 4-1 (4-2÷4-S) каскадного преобразователя частоты, которая состоит из двух однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F питающихся от вторичных обмоток 5-1÷5-(F⋅S) многообмоточного трансформатора 2 выполненных с одинаковым уровнем номинального напряжения. Благодаря такой топологии каскадного преобразователя частоты между концами его фаз 4-1÷4-S можно синтезировать практически синусоидальное напряжение для питания электродвигателя переменного тока 6. Следует отметить, что напряжение, синтезируемое одной из фаз 4-1 (4-2÷4-S) каскадного преобразователя частоты формируется независимо от напряжении формируемых другими фазами 4-2÷4-S каскадного преобразователя частоты. Но напряжения синтезируемые фазами 4-1÷4-S каскадного преобразователя частоты должны быть согласованы для осуществления правильной работы электродвигателя переменного тока 6.

При этом трехуровневый инвертор напряжения 10, схема которого представлена на Фиг. 2 (для варианта с тремя (S=3) фазами каскадного преобразователя частоты и двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты) может состоять из полумостов 11, 12 выполненных на четырех транзисторах 13, 14, 15, 16 по схеме с нулевой точкой. Кроме того, трехуровневый инвертор напряжения 10 схема которого представлена на Фиг. 3 может состоять из полумостов 11, 12 выполненных на четырех транзисторах 13, 14, 15, 16 по схеме с Т-образным мостом.

Более подробно рассмотрим работу схемы каждого однофазного преобразователя частоты 3-1÷3-F. Выпрямитель напряжения 9 собран по схеме трехфазного двухполупериодного выпрямителя напряжения 9 для последовательно соединенных конденсаторов 17 и 18 и как два трехфазных однополупериодных выпрямителя напряжения 9 отдельно для каждого из конденсаторов 17 и 18. Уровень среднего значения напряжения на конденсаторах 17 и 18 и на выходе однофазного преобразователя частоты 3-1÷3-F будет зависеть от действующего значения напряжения на выходе вторичных обмоток 5-1÷5-(F⋅S) многообмоточного трансформатора 2, величины емкости конденсаторов 17 и 18 и потребляемой мощности на выходе каскадного преобразователя частоты. Транзисторы 13, 14, 15, 16 организуют транзисторные полумосты 11, 12 и схему трехуровневого инвертора напряжения 10 для синтеза выходного напряжения на выходе каждого однофазного преобразователя частоты 3-1÷3-F. Работа транзисторных полумостов 11 и 12 построенных по схеме с нулевой точкой (Фиг. 2) и по схеме с Т-образным мостом (Фиг. 3) более подробно описана в специальной литературе по многоуровневым инверторам напряжения и не требует дополнительных пояснений.

Каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения, схема которого представлена на Фиг. 4 (для варианта с тремя (S=3) фазами каскадного преобразователя частоты и двумя (F=2) однофазными преобразователями частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты) может быть выполнен, так что выпрямитель напряжения 9 каждого из однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F выполнен управляемым. Такая схема однофазных преобразователей частоты каскадного преобразователя частоты позволяет регулировать напряжение на выходе управляемого выпрямителя напряжения 9. При этом достоинством такой схемы является возможность плавного заряда конденсаторов 17 и 18 с ограничением величины тока заряда. Регулирование выпрямленного напряжения на выходе управляемого выпрямителя напряжения 9 позволит совместно с управлением полумостами 11 и 12 каждого однофазного преобразователя частоты синтезировать напряжение, которое по форме будет максимально приближено к заданной.

С целью повышения качества синтезируемого напряжения, а также для уменьшения величины пульсации выпрямленного напряжения, на выходе выпрямителя напряжения 9, трансформатор напряжения 2 может быть выполнен многофазным (Фиг. 5). При таком варианте исполнения трансформатора напряжения 2 первичная 7 и вторичные обмотки 5-1÷5-(F⋅S) многообмоточного силового трансформатора выполнены многофазными. Следует отметить, что при такой схеме трансформатора напряжения 2, выпрямитель напряжения 9 также должен быть выполнен многофазным.

С целью повышения качества синтезируемого напряжения на выходе каждой фазы 4-1÷4-S каскадного преобразователя частоты, схема которого представлена на Фиг. 1 (Фиг. 2-Фиг. 5) может быть выполнена так, что вторичные обмотки 5-1÷5-(F⋅S) многообмоточного трансформатора 2 выполнены на разный уровень напряжения. При этом вторичные обмотки 5-1÷5-(F⋅S) многообмоточного трансформатора 2 выполнены на такой уровень напряжения чтобы при количестве последовательно включенных однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F в каждой из фаз 4-1÷4-S равным N, полное номинальное выходное напряжение однофазного преобразователя частоты 3-1÷3-F К-ого уровня в каждой из фаз 4-1÷4-S каскадного преобразователя частоты определяется согласно зависимости

где U_max - максимальное напряжение фазы каскадного преобразователя частоты, N - количество последовательно включенных однофазных преобразователей частоты в каждой из фаз 4-1÷4-S каскадного преобразователя частоты; К - номер уровня ячейки однофазного преобразователя частоты 3-1÷3-F в каждой из фаз 4-1÷4-S каскадного преобразователя частоты.

При этом число уровней фазного напряжения, синтезируемое фазой 4-1÷4-S каскадного преобразователя частоты будет равно 2⋅3^N-1. На Фиг. 7 - представлена осциллограмма напряжения фазы 4-1÷4-S каскадного преобразователя частоты, которая состоит из двух однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F питающихся от вторичных обмоток 5-1÷5-(F⋅S) силового согласующегося трансформатора 2 выполненных с разным уровнем напряжения. Как видно на осциллограмме Фиг. 7 такой каскадный преобразователь частоты позволяет синтезировать семнадцать уровней мгновенных напряжении при формировании фазного напряжения каскадного преобразователя частоты. Из сравнения осциллограмм изображенных на Фиг. 6 и Фиг. 7 видно, что форма синтезируемого напряжения фазы 4-1÷4-S каскадного преобразователя частоты, которая состоит, из двух последовательно соединенных однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F, которые выполнены с различными уровнями напряжения питания более приближена к синусоиде.

Для плавного пуска многообмоточного трансформатора 2 и плавного заряда конденсаторов 17, 18 в каждом из однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-F каскадный преобразователь частоты (Фиг. 8) может быть снабжен устройством мягкого пуска 19 и автоматическим выключателем 20. Устройство мягкого пуска 19 включено параллельно контактам автоматического выключателя 20. При необходимости включения каскадного преобразователя частоты устройство мягкого пуска 19 производит намагничивание магнитной системы многообмоточного трансформатора 2 и плавный заряд конденсаторов 17, 19 каждого однофазного преобразователя частоты 3-1÷3-F только после чего включается автоматический выключатель 20.

Таким образом, предложенный каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения обладает следующими достоинствами:

- позволяет получить высокое качество синтезируемого напряжения для питания электродвигателя, обеспечить низкий уровень гармоник и нелинейных искажении в форме напряжения и тока на нагрузке;

- при том же количестве вторичных обмоток многообмоточного трансформатора позволяет синтезировать в два раза большее количество уровней выходного напряжения каскадного преобразователя частоты;

- 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 кратной числу однофазных преобразователей частоты, соединенных последовательно в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты 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. Технический результат заявленного изобретения заключается в увеличении количества уровней мгновенно синтезируемого напряжения и частоты модулированного напряжения на выходе каскадного преобразователя частоты, как следствие, повышается качество напряжения на нагрузке, значительно снижается дисперсия напряжения и тока, а также снижается скорость нарастания напряжения (dU/dt) на нагрузке, что помогает избежать резонансов электромагнитных процессов. Такой преобразователь частоты позволит значительно увеличить срок эксплуатации электрической машины, так как питание обмоток осуществляется практически синусоидальным напряжением, что значительно продлевает срок службы изоляции. При этом токи, потребляемые электрической машиной, будут практически синусоидальными, что положительно скажется на величине пульсации электромагнитного момента, а следовательно, и виброшумовых характеристиках электрической машины и сроке эксплуатации ее подшипников. Поставленный технический результат достигается тем, что каскадный преобразователь частоты содержит силовой согласующий многообмоточный трансформатор, вторичные обмотки которого соединены звездой и содержат выход нулевой точки, а в качестве элементарных ячеек уровней используются однофазные преобразователи частоты, которые выполнены с использованием трехуровневых инверторов напряжения. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения, содержащий систему управления, согласующий 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 трансформатора подключена к фазам питающей сети, отличающийся тем, что каждая вторичная обмотка многообмоточного силового трансформатора соединена звездой и содержит вывод нулевой точки, а каждый однофазный преобразователь частоты содержит выпрямитель напряжения, трехуровневый инвертор напряжения, содержащий два полумоста, каждый из которых выполнен на четырех транзисторах, и два конденсатора звена постоянного тока, соединенные последовательно и подключенные к плюсовому и минусовому выводу выпрямителя напряжения, причем вывод нулевой точки каждой вторичной обмотки многообмоточного силового трансформатора соединен с общей точкой соединения конденсаторов, а трехуровневый инвертор напряжения своими входными контактами подключен к плюсовому и минусовому выводу выпрямителя напряжения и к общей точке соединения конденсаторов.

2. Каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что полумосты трехуровневого инвертора напряжения каждого из однофазных преобразователей частоты выполнены на четырех транзисторах по схеме с нулевой точкой.

3. Каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что полумосты трехуровневого инвертора напряжения каждого из однофазных преобразователей частоты выполнены на четырех транзисторах по схеме с Т-образным мостом.

4. Каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что выпрямитель напряжения каждого из однофазных преобразователей частоты выполнен управляемым.

5. Каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что первичная и вторичные обмотки многообмоточного силового трансформатора выполнены многофазными.

6. Каскадный преобразователь частоты с увеличенным числом уровней выходного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что вторичные обмотки многообмоточного силового трансформатора выполнены на разный уровень напряжения таким образом, чтобы при количестве последовательно включенных однофазных преобразователей частоты в каждой из фаз равным N, полное номинальное выходное напряжение однофазного преобразователя частоты К-го уровня в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты определяется согласно зависимости где U_max - максимальное напряжение фазы каскадного преобразователя частоты, при этом число уровней фазного напряжения, синтезируемое фазой каскадного преобразователя частоты, будет равно 2⋅3^N-1.