Преобразователь частоты с непосредственной связью Советский патент 1983 года по МПК H02M5/27 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ

СВЯЗЬЮ

1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для плавного регулирования частоты вращения асинхронных двигателей в приводах различных областей народного хозяйства.

По основному авт. св. № 47О046 известен непосредственный преобразователь частоты с непосредственной связью для частотного управления асинхронным двигателем, который стэдержит два трехфазных трансформатора, вторичные обмотки которых соединены с зaжШvIaми переменного тока диодных мостов, зашунтированных цепочками из дросселя и тиристора, а также коммутирующие конденсаторы между одноименными зажимами шунтирующих тиристоров, причем первичные обмоткти этих трансформатсуров соединены пофазно-последоватепьно треугольником, а между лучами соединенных звездой вторичных обмоток присоединены соответствующие фазы нагруэ киС11.

Недостаток известного решения состоит в плохом качестве выходного напря«жен1ю, обусловливающем ухудшение энер-гетических показателей н ограшгчивагощем сверху диапазон частотного ут1ра& ления двигателем.

Цель изобретения - улучшение качества выходного напряжения путем уменьшения коэффициента гармоник.

Поставленная цель достигается тем,

10 что преобразователь частоты снабжен третьим трехфазным трансформатором с первичным и вторичным комплектами трехфазных обмоток и дополнительным трехфазным диодным мостом с полностью

15 управляемым ключевым элементом на его выходе постоянного тока, причем входные выводы моста и концы первичной обмотки трансформатора, соединенной в звезду, подключены к точкам соедине20ния первичных обмоток соответствующих фаз первых двух трехфазных трансформаторов, а вторичная трехфазная обмотка введенного трансформатора своими ковцами включена между концами соответствующих фаз вторичной трехфазной обмотки одного из первых двух трансформа торов и тремя выходными выводами преобразователя. На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - векторные диаграммы напряжений на элементах отдельных фаз цепи вторич ных обмоток трансформаторов и нагрузки соответствующие каждая открытому состоянию одного из шунтирующих тиристоров на выходе соответствующих диодных мостов; на фиг. 3 - 5 - временные диаграммы напряжений на тех же элементах устройства, а соответствующие эпюры переключающих функций. Предлагаемое устройство содержнт ocHOBj bie силовые трансформаторы 1 и 2, первичные обмотки 3 и 4 которых соединены пофазно-последовательно в общую схему тре тольника, верщины которого присоединены к питающей трехфазной сети. Точки последовательного соединения первичных обмоток 3 и 4 присоединены к входу переменного тока диодного моста 5. Вторичные обмотки 6 и 7 трансформаторов 1 и 2 присоединены как к входам переменного тока диодных мостов 8 и 9, так и к соединяющей их пофазно-последовательно цепи из статорной обмотки 1О и вторичной обмотки 11 дополнительного трансформа тора 12, первичная обмотка 13 которог присоединена лучами звезды к точкам пофазно-последовательного соединения первичных обмоток 3 и 4 основных силовых трансформаторов 1 и 2, Диодный мост 8 зашунтирован цепочкой из дросселя 14 и тиристора Vg , диодный мост 9 - цепочкой из дросселя 15 и тиристора Vg , а диодный мост 5 - цепочкой из дросселя 16 и тиристора Vj- . Катода шунтирующих тиристоров Vg fVg и V соединены коммутирующими конденсаторами 17 - 19, а их аноды - конден саторами 20 - 22. На фиг. 2а - в приведены векторные диаграммы напряжений для элементов устройства, последовательно соединенньгх с одной фазой нагрузки, соответствующи каждая закороченному состоянию одного из трех диодных мостов; на фиг. 2г - е аналогичные векторные диаграммы напря жений для элементов устройства другой фазы, а на фиг. 2ж - и - аналогичные векторные диаграммы напряжений для элементов устройства третьей фазы. На тг. За - г приведены временные диараммы напряжений на обмотках в, 11, и 10 устройства, соответствующие оочередному открытому состоянию щунирующих тиристоров Vg, .Vr И VD На ыходе своих диодных мостов 9, 5 и 8 огласно эпюрам переключения фиг. Зд -ж. ти временные диаграммы соответстуют также векторным диаграммам иг. 2а - в для той же фазы нагрузки ри отнощении частоты коммутации к астоте сети равном 1,6. Аналогичные ременные диаграммы на фиг. 4 соответтвуют второй фазе нагрузки и векторным иаграммам фиг. 2г - е, а временные иаграммы фиг. 5 - третьей фазе нарузки и векторным диаграммам фиг. 2ж-и Устройство работает следующим обраом. Поочередно закорачивают диодные мосты 5,8 и 9 на взаимно равные регулируемые интервалы времени с помощью щунтирующих эти мосты тиристоров. Коэффициенты трансформации, основных трансформаторов 1 и 2 и вспомогательного трансформатора 12 выбирают одинаковыми. Открытому состоянию щунтирующего тиристора на выходе диодного моста 8 соответствуют: -работа трансформатора 1 в режиме трансформатора тока вследствие короткого замыкания вторичной обмотки 6 трансформатора 1 и обусловленное этим практически нулевое значение падения напряжения на первичной обмотке 3 трансфо1 матора 1; -подключение каждой из фаз первичной обмотки 4 к линейному напряжению питающей сети. Открытому состоянию щунтирующего тиристора на выходе диодного моста 9 соответствуют: -работа трансформатора 2 в режиме трансформатора тока вследствие короткого замыкания вторичной обмотки 7 тра сформатора 2 и обусловленное этим практически нулевое значение падения напряжения на первичной обмотке 4 трансформатора 2; -подключение каждой из фаз первичной обмотки 3 к линейному напряжению питающей сети; -получение выходного напряжения на нагрузке 10 в виде суммы напряжений на вторичных охотках 6 и 11 трансформаторов 1 в 12. Открытому состоянию шунтирующего тиристора на выходе диодного моста 5 соответствуют: 5 -работа трансформат DIM 12 в рехнм трансформатора тока вследствие коротко го замыкания первичной обмотки 13 трансформатора 12 и обусловленное этим практически нулевое значение падения напряжения на вторичной обмотке 11 трансформатора 12; -образование замкнутой нулевой точки одноименных зажимов первичной обмо ки зтрансформатора 1, не отмеченных звездочками; -образование замкнутой нулевой точ одноименных зажимов первичной обмотки 4 трансформатора 2, отмеченных звеэдочками;- образование угла сдвига по фазе 60 ° между фазными напряжениями ЭДС обмоток 6 и 7 трансформатора 1 и 2, соединенных последовательно с выходной обмоткой 10 (статорная обмотка управЛЛемого асинхронного двигателя) с разных сторон ее одноименных зажимов; -получение выходного напряжения на нагрузке в виде разности напряжений tm соответствующих фазах обмоток 6 и 7 трансформаторов 1 и 2. Переходу от открытого состояния шу тирующего тиристора на выходе диодног моста 8 к его закрытию и отпиранию шунтирующего тиристора на выходе диод ного моста 9, соответствуют: -переход трансформатора 2 с обмотками 4 и 7 в режим короткого замыкания, когда падения напряжения на этих обмотках практически равны нулю; -изменение на 180° начальной фазы напряжения на каждой фазе последовательно соединенных статорной обмотки 1О асинхронного двигателя и вторичной обмотки 11 трансформатора 12; -изменение на 120° начальной фазы как первичной 13, так и вторичной 11 обмоток дополнительного трансформато ра 12. Переходу от открытого состояния шунтирующего тиристора на выходе диодного моста 9 к его закрытию и отпиранию шунтирующего тиристора на выходе диодного моста 5 соответствуют: -переход трансформатора 12 с обмотками 11 и 13 в режим короткого замыкания, падения напряжения на этих обмотках практически равны нулю; -соединение каждой из первичных о& моток 3 и 4 трансформаторов 1 н 2 звездой с общей нулевой точкой, образованной закороченным мостом 5, и обусловленное этим уменьшение в 1,73 раза фазного напряжения на каждой из 374 вторичных обмоток 6 и 7 основных тран сформаторов 1 и 2 по сравнению с ранее рассмотренными случаями, когда фазы первичных обмоток этих трансформаторов поочередно подключались к линейным напряжениям питающей сети. Переходу от открытого состояния шунтирующего тиристора к его запиранию и отпиранию шунтирующего тиристора на выходе диодного моста 8 сротвьггствуют: - переход трансформатора 1 с о&мотками 3 и 6 в режим трансфор.;атора тока вследствие закорачивания вторичной обмотки 6; -подключение отдельных фаз первичной обмотки 4 трансформатора 2 практически к полному линейному напряжению питающей сети, -подключение лучей звезды первичной обмотки 13 к линейному напряжетпо трехфазной питающей сети. Далее имеет место повторение коммутационного цикла поочередного закорачивания диодных мостов 8, 9 и 5. Отпирание очередного шунтирующего тиристора сопровождается запиранием ранее открытого тиристора обратными напряжениями соответствующей пары коммутирующих конденсаторов 17 - 22, которые перезаряжаются до напряжения противоположной полярности в последутоший интервал времени по цепи из открытого тиристора, ранее зашунтированного диодного моста и индуктивности его шунтирующей цепочки. Описанному алгоритму работы предлагаемого устройства соответствуют векторные диаграммы напряжений фиг. 2а-и, Из приведенных д1шграмм следует, что после каждого переключения в силовой цепи предлагаемого устройства имеет место скачкообразное изменение начальной фазы напряжения в нагрузке на угол 120°. Аналогичные зависимости можно было бы записать для векторных диаграмм фиг. 2г - 2е второй фазы нагрузки и фиг. 2ж - и - для третьей фазы нагрузки. Для одной из фаз предлагаемого уст ройства на фиг. За приведена временная диаграмма напряжения U на вторичной обмотке 6 трансформатора 1 при поочередном отпирании шунтирующих тиристоров на оторове постоянного тока диодны)с мостов 9, 5 и 8} ва фиг. 36 - напряжение и на вторичной обмотке 11 дополнительного трансформатора 12; на фиг. Зв- напряжение U-i на вторичной обмотке. 7 трансформатора 2; на фиг. Зг - напряж 710ние на данной фазе нагрузки 1О, на фиг. Зд - ж - эпюры киимутйционных функций, соответствующих поочередному открытому состоянию тиристоров на выходе диодных мостов 9,5 и 8 и скачкообразному изменению как начальных фаз, так и амплитуд напряжений на указанных впементах устройства. Из принципиальной схемы предлагаемого устройства и приведенных временных диаграмм следует tJj., (J Аналопгчные зависимости для второй фазы данного устройства приведены на фиг. 4а - .ж, а для его третьей фазы - на фиг. 5а - ж. Отрицательный этап напряжения перед U-J в приведенном выше аналитическом выражении обусловлен присоединением обмотки 7 к одноименным зажимам другой полярности обмотки 10 шгр}зки по сравнению с обмотками 6 и 11. Это обстоятельство учитывается также в соответствующих векторных диаграммах фиг. 2. Из кривых фиг. За, 4а и 5а следует, что напряжение на вторичной обмотке 6 трансформатора 1 определяется поочередным подключением фаз его первичной обмотки 3 к линейному напряжению сети и фазному напряжению сети, а также закорачиванием вторичной обмотки 6. Из кривых фиг. 36, 46 и 56 следует, что напряжение на вторичной обмотке 11 трансформатора 12 определяется поочередньм подключением лучей звезды его первичной обмотки 13 к-различным линей ным проводам питающей сети и закорачиванием этой обмотки. Поочередное подключение первичной обмотки 13 трансформатора 12 к различным линейным про водам питающей сети обусловлено поочередным уменьшением практически до нуля падения напряжения на первичных обмотках 3 и 4 трансформаторов 1 и 2 в результате поочередного закорачивания юс вторичных обмоток 6 и 7. Из кривых фиг. Зв, 4в и 5в следует, что напряжение на вторичной обмотке 7 трансформатора 2 определяется поочередным подклю чением фаз его первичной обмоткк 4 к линейному напряжению сети и фазному напряжению сети, а также закорачиванием вторичной обмотки 7. Из сравнения отрезков кривых фиг. За и в, относящихся к интервалу открытого состояния шун тирующего тиристора на выходе диодного моста 5, следует, что соответствующие отрезки синусоид в этом случае взаимно сдвинуты во времени на шестую часть п риода, что обусловлено закорачиванием 74 ри этом несовпадающих полярностей одоименных зажимов первичных обмоток и 4 трансформаторов 1 и 2. Анал1 ичный вывод напрашивается из сравнения ривых фиг, 4а и в, а также кривых иг. 5а и в. Все это обусловливает полуение кривой напряжен(1я в нагрузке в иде чередующихся равноинтервальных трезков синусоид, начальные фазы котоык изменяются скачкообразно на третью асть периода питающей сети (фиг. Зг, г, 5г). Известно, что частота основной ссютавляющей этого выходного напряения выражается зависимостью Sin(3p4-f)j//3 и,о -f 3pTl(3p4f)t + , где UJ,57 - угловые частоты питающей сети и циклов коммутации; р - целое число или ноль; Ц| - угол начальной фазы напряжения питающей сети; О, - число равное нулю либо единице, либо двум в зависимости от выбора соответствующей фазы нагрузки. При изменении частоты циклов коммутации и выборе ее превышающей частоту питающей сети имеет место соответству-. юшее изменение в широких пределах чаототы основной составляющей выходного напряжения, что может быть использоBBHo, например, для экономичного час-J тотного управления асинхронным двигателем. Таким образом, частота основной соотавляющей напряжения на нагрузке оп.ределяется разностью частоты сети и частоты циклов коммутации, а частота в два раза меньщая по амплитуде ближайшей составляющей помехи - суммой частоты сети и двукратной частоты циклов коммутации, в то время как в прототипе частота ближайщей составляющей помехи выражается суммой частот сети и циклов коммутации, а ее амплитуда равна амплитуде основной составляющей разностной частоты. Во всех обмоткак трансформаторов силовой части предлагаемого устройства, а также в обмотке статора у11равляем1 го асинхронного двигателя имеет место непрерывность тока, что обеспечивает существенное повыщение надежности вследствие многократного уменьшения коммута цЕоввых перенапряжений на полупровод91001

никовых элементах, которые имеют меото в известном устройстве вэ-эа освобождающейся энергии магнитного поля индуктнвностей рассеяния обесточиваемых обмоток трансформаторов.j

Формула изобретения

Преобразователь частоты с непосре - tO ственной связью по авт. св. № 47ОО46, отлича ющийся тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения путем уменьшения коэффицие та гармоник, он снабжен третьим трех- 15 фазным трансформатором с первичным и

37410

вторичным кхжтлектом трехфазных обмоток и дополнительным трехфазным диодным мостом с полностью управляемым ключевым элементом на его выходе no стоянного тока, причем входные выводы моста и концы первичной о& 4отки транса. форматора, соединенной в звезду, пояключе ны к точкам соединення пе жичвых обмоток соответствующих фаз первых двух трехфазных трансформаторов, а вто ричная трехфазная обмотка введенного трансформатора своими кошшмн включена между концами соответствующнх -фаз вторичной трехфазной обмотки одного из первых двух трансформаторов и тремя выходными выводами преобразователя.

UB

Ое

а

и,

/о

-и

0,1 в.

Ufo

и

to

Uii

и

t м

фс/г J

/r

i::

2-..,.,

e

./

a

фиг.Ц/