Трехфазный статический удвоитель частоты и его варианты Советский патент 1983 года по МПК H02M5/16 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестЕШ источника трехфазной системы напряжений повышенной частоты. Известен трехфазный статический удвоитель частоты, содержащий кольцевой магнитопровод с пазами, в которые уложены первичная и вторичная обмотки, причем первичной обмоткой в магнитопроводе создается магнитный поток, вращающийся с удвоенной частотой. Первичная обмотка питается через три однофазные мостовые выпрямители (1). Основной недостаток этого устройства сложная конструкция кольцевого магнитопровода. Наиболее близким к изобретению является трехфазный статический удвоитель частоты, содержащий трансформатор с трехфазными первичной и вторичной обмотками и шесть управляемых вентилей 2. Недостатком этого удвоителя частоты является низкое качество выходного напряжения двойной частоты. Целью изобретения является улучшение формы выходного напряжения. Поставленная цель достигается тем, что в трехфазный статический удвоитель частоты, содержащий транс-форматор с трехфазными первичной и вторичной обмотками и шесть управляемых вентилей, введен дополнительный траксформатор с трехфазными первичной и вторичной обмотками, причем указанные управляемые вентили соединены в лва треугольника с взаи.мообратным направлением вентилей, вершины каждого нз которых подключены к одним одноименным выводам первичной обмотки одного из трансформаторов, другие одноименные выводы первичных обмоток обоих трансформаторов пофазно соединены и их общие точки соединения образуют входные выводы для подключения трехфазного источника питающего напряжения, а вторичные обмотки трансформаторов одноименными фазами соединены встречно, образуя три цепочки, соединенные между собой в треугольник, вершины которого образуют выходные выводы. Согласно второму варианту выполнения устройства в трехфазный статический удвойтель частоты, содержащий трансформатор с трехфазнь ми первичной и вторичной обмотками и шесть управляемых вентилей, введена дополнительная трехфазная первичная обмотка, включенная в каждой фазе встречно с oc ювнoй первичной обмоткой, причем общие точки соединения 1 ервичны | обмоток образуют входные выводы для подключен Я трехфазного источника питающего напряжения, указанЕтые управляе.мые вентили соединены в два треугольника с взаимообратным направлением вентилей, вершины каждого из которых подключенЕ Е к свободным выводам ОДНОЕ1 пз первичных обмоток, а вторичная обмотка соединена по схеме треугольника, вершины которого образуют выходные выводы. На фиг. представлена электрическая схема трехфазного стагического удвоителя частоты согласно первому варианту; на фиг. 2 - эпюры напряжений; на фиг. 3 - электрическая схема второго варианта трехфазного статического удвоителя частоты. Трехфазный статический удвоитель частоты (фиг. 1) содержит два одинаковых трехфазных двухобмоточных трансформатора 1 и 2. Фазные выводы первичных обмоток обоих трансформаторов подключены к входным выводам 3 для подключения трех .фаз А, В, С источника питающего напряжения с частотой f. На выходных выводах 4, к которым подключены вершины треугольника, образованного вторичиы.ми обмотками трансформаторов 5-10, возникает симметричная трехфазная система напряжений двойной частоты 2f. Вторичные обмотки одноименных фаз соединены втречно: три верхние перемычки соединяют соответственно начала обмоток 5 и 6 фазы А, обмоток 7 и 8 фазы В, обмоток 9 и 10 фазы С. Управляемые вентили, например тиристоры 11 -16, соединены в два треугольника с взаимообратным направлением вентилей. Верщины треугольника из вентилей 11 -15 подключены к свободным выводам 17-19 первичной обмотки трансформатора 1, а вершины треу-гольника из вентилей 14-15 подключены к свободным выводам 20-22 первичной обмотки трансформатора 2. Указанное включение вентильных треугольников обеспечивает образование в обмотках трансформаторов напряжений с большим содержанием второй, гармоники. При этом использование вентильных треугольников .с взаимообратным направлением вентилей (тиристоров) со.здает необходимый сдвиг между напряжениями обмоток одноименных фаз (нечетные гармоники напряжений совпадают по фазе, четные - в противофазе). Встречное включение одноименных фаз вторичных обмоток обеспечивает выделение на выходе удвоителя напряжений двойной частоты (напряжений, содержащих только BTOpyio и другие четные гармоники). На фиг. 2, поясняющей работу удвоителя частоты на оси 23, показаны фазные напряжения UA, UB, Uc на входе удвоителя; на осях 24, 25 - импульсы управления U« , и« . и токи IK, i« , 1(3 тиристоров 11, 13 и 15- первого вентильного треуЕольника; на осях 26 и 27 - импульсы управления Ui6, Ui2, UH и токи i|6, in, i тиристоров 12, 14,16 второго вентильного треугольника; на осях 28 и 29 - напряжения Us и Ue вторичных обмоток 5 и 6 фазы А, на оси 30 -напряжение Uac на выходе удвоителя частоты, представляюЕцее собой разЕюсть напряжений Us и Ufi и ос Еовная его гармоЕ1Ика U(y. вариант трехфазного статического удвоителя частоты, показанного на фиг. I, работает следующим образом. Импульсы управления сдвинуты на угол управления oi в сторону отставания от моментов пересечения кривых входных фазных напряжений, когда на .соответствующих тиристорах возникают положительные анодные напряжения. Так, показанный для тиристора 13 угол л отсчитывается от момента, после которого UB становится больше Uc, и определяет фазовое положение и.мпульса управления Такой же по величине угол ct определяет положения импульса и других импульсов управления. Для тиристоров одного вентильного треугольника импульсы управления следуют через 1/3 периода входной частоты или 120°. Смежные по номерам импульсы, относящиеся к разным вентильным треугольникам,сдвинуты на 1/6 периода или на 60°. Показанные на осях 25 и 27 анодные токи тиристора определяются приложенными к первичным обмоткам трансформаторов напряжениями, индуктивпостями холостого хода и углом управления. Из них формиру-ются намагничивающие токи трансформаторов. Исходя из того, какие тиристоры проводят ток в данном промежутке времени, находятся отдельные участки напряжений Us и Ue. В промежутках, когда ток проводят одновременно два тиристора-первого вентиль. треугольника, на обмотке 5 возникает фазное напряжение U. Например, в промежутке tjt проводят ток тиристоры 15 и 11; следовательно, нулевые точки AI, Bj, Q первичной обмотки трансформатора 1 (фиг. 1) закорочены, на фазах первичной и вторичной обмоток этого трансформатора возникают напряжения, равные входным фазным напряжениям (для определенности и сокращения пояснений считаем, что коэффициент трансформации равен единице) и, в частности UB UA. В промежутке , когда в первом вентильном треугольнике Ток проходит только через тиристор 11, на фазе А первичной обмотки и на обмотке 5. трансформатора I возникает, как это следует из схемы на фиг. , напряжение i UA-UB). В промежутке, когда в первом вентильном треугольнике ток проходит только через, тиристор 13, нулевой вывод фазы А первичной обмотки трансформатора 1 оказывается изолированным и поэтому U5 0. В промежутке, когда в первом вер)тильном треугольнике ток проходит только через тиристор 15, на фазе А первичной обмотки и на обмотке 5 возникает напряжение U5.(UA-Uc). Аналогично находится и строится напряжение Ug на вторичной обмотке 6 трансфор.матора 2. где Aj, 82- Сг - нулевые точки его первичной обмотки. Напряжения Us и Ue содержат нечетные и четные гармоники, в том чис.пе достаточно больщую вторую гармонику. В этих напряжениях первые и другие соответствующие нечетные гармоники одинаковы по амплитудам и совпадают по фазе, вторые и другие соответствующие гармоники тоже одинаковы по амплитудам, но находятся в противофазе. Благодаря этому разность этих напряжений,получающаяся на выходе удвоителя, частоты вследствие встречного включения вторичных обмоток, содержит только четные гармоники. Напряжение Uac, равное Us-Ue, построено на оси 3Q (фиг. 2). Это одно из трех выходных линейных напряжений, другие два - такие же по форме, но сдвинуты на 1/3 периода двойной выходной частоты. Таким образом, подведенная к устройству симметричная трехфазная систег 1а напряжений частоты f преобразуется блaг)дapя нелинейным элементам - тиристорам . в симметричную трехфазную систему напряжений удвоенной частоты 2f. Анализ кривой выходного напряжения удвоителя частоты показывает, что наилучшие результаты получаются, если угол управления Л имеет значения в пределах 105-115° входной частоты: амплитуда второй гармоники (основной для .выходного напряжения) составляет 87-ЭО /о от амплитуды фазного напряжения на входе, а коэффициент искажения сипусоидальности кривой выходного напряжения имеет значения в пределах 0,210,26. Наибольшая амплитуда второй гармоники получается прио( 105, наименьший ;Коэффициент искажения - при Л 111°. На фиг. 2 выходное напряжение Uac соответствует углу ск. 108°, при котором амплитуда его основной гармон 1ки составляет 89, от амплитуды фазного напряжения на входе,. а коэффициент яскаже1П1я равен 0,22. Второй вариант трехфазного статического удвоителя частоты, показанного на фиг. 3, содержит один трансформатор 31 с двумя трехфазными первичными обмотками, соединенными в каждой фазе встречно, причем общие точки соединения фазных обмоток 3237 образуют входные выводы для подключения фаз А,В, С источника питающего напряжения с частотой L Свободные выводы фазных обмоток 32-37 подключены соответственно к вершинам треугольников,образованных управляемыми вентилями (тиристорами) с взаимообратным направлением вентилей 38--43. А,, В, Ci и Аг, В2, Са - нулевые точки первичных обмоток. Вторичные обмотки трансформатора 44- t6 соединены в треугольник, вершины которого образуют выходные выводы а, в, с, с ко |рых снимают трехфазное напряжение с частотой 21. Благодаря использованию одного трансформатора этот вариант проще первого. Работа трехфазного статического удвоителя по второму варианту аналогична его работе по первому варианту. В обоих вариантах предлагаемого устройI сгва из-за вентильных треугольников, ти ристоры которых отпираются с некоторым запаздыванием на угол л, в напряжениях и токах первичных обмоток и магнитном потоке трансформаторов (вариант по фиг. 1) или трансформатора (вариант по фиг. 3) возникают вторые гармоники. В варианте устройства по фиг. 3 выделение второй гармоники происходит в магнитном потоке трансформатора: благодаря встречному включению двух одинаковых первичных обмоток и включению со стороны их нулевых выводоЕ j lw4V.il ГД IVj J I fI LJl J 1Л. 1 1 у i/J V- I- Ul J 1.J Ui и 4. Iвентильных треугольников с взаимообратным направлением тиристоров в магнитном потоке каждого стержня компенсируются первая и другие нечетные гармоники, а вторая и другие четные гармоники складываются (в резу1ьтирующем магнитном потоке ЭНН вдвое больше, чем в магнитном потоке, :оздаваемом каждой первичной обмоткой 8 отдельности). В результате напряжения на фазах вторичной обмотки имеют двойную «астоту и lia выходе удвоителя выдается трехфазная система напряжений двойной частоты По сравнению с известным устройством в котором также используется трехфазный трехобмоточный трансформатор, предлагаемое устройство дает на выходе напряжение более высокого качества (в несколько раз меньше коэффициент искажения синусоидальности этого напряжения). В случае, когда удвоитель частоты предназначен для питания трехфазного двигателя (синхронного или асинхронного),можно предлагаемое устройство по фиг. 3 в части первичных обмоток выполнить непосредствен но на статоре двигателя,уложив в его пазы две встречные трехфазные обмотки, и со стороны их нулевых выводов включить два вентильных треугольника со взаимообратным направлением тиристоров. При этом в двигателе возникает вращающееся магнитное поле удвоенной частоты,синхронная скоростьвращения возрастает вдвое.. Во всех вариантах предлагаемого устройства его основное преимущество по сравнению с прототипом состоит в значительно меньшем искажении синусоидальности кривой выходного напряжения. Это приводит к лучщему использованию мощности трансJ J J форматора и двигателя, к уменьщению по терь энергии от высщих гармоник. Лучшее использование связано прежде всего с тем, что обмотки трансформатора значительно меньше загружаются высшими гармониками. В предлагаемом устройстве номинальная мощность трансформатора, рассчитанная для синусоидального тока, должна быть из-за высших гармоник снижена на 20%, тогда как в прототипе (базовом объекте) -- вдвое. Другими словами, при ,., одинаковом по мощности оборудовании но-. лезиая мощность предлагаемого устройстве; в 1,6 раза выще. Повышение качества вы ходного напряжения равносильно сниженик: затрат на фильтры высших гармоник.Кроме того, снижаются потери энергии.

. Трехфазный статический удвоитель частоты, содержащий трансформатор с трехфазными первичной и вторичной обмотками и шесть управляемых вентилей, отличающийся тем, что, с целью улучшения формы выходного напряжения, введен дополнительный трансформатор с трехфазными первичной и вторичной обмотками, причем указанные управляемые вентили соединены Б два треугольника с взаимообрс1тным направлением вентилей,, вершины каждого из которых подключены к одни.м одноименным выводам первичной обмотки одного из трансформаторов, другие одноименные выводы первичных обмоток обоих трансформаторов пофазно соединены и их обш1ие точки соединения образуют пхо.;,ые выводы для подключения трехфазного, источника питающего напряжения, а втормч ые обмотки трансформаторов одноименными фазами соединены встречно, образуя три цепочки, соедияемные между собой в треугольник, вершины которого образуют выходные выводы. 2. Трехфазный статический удвоитель частоты, содержащий трансформатор с трехфазными первичной и вторичной обмотками и шесть управляемых вентилей, от.л«чаю1г(й-, ся тем/Что, с целью улучшения формы выходного, напряжения, .введена дополнительная трехфазная первичная обмотка, включенная в каждой фазе встречно с основной первичной обмоткой, причем общие точки соединения нервичных обмоток образуют в.ходные выводы для подключения тр ехфазного источника питающего напряжения, указанные у1 равляемые вентили соединены в два треугольника с взар.мообратным направлением вентилей, верн1ины каждого из которых подключены к свободным выводам одной из ггервичных обмоток, а вторичная обмотка соединена но схеме треугольника, вершины которого образуют выходные выводы.