Способ дискретного регулирования частоты и непосредственный преобразователь частоты Советский патент 1984 года по МПК H02M5/27 

Изобретение относится к преобразо вательной технике и может быть испол зовано в частотно-регулируемом электроприводе, с дискретными ступенями изменения частоты выходного напряжеимя преобразователя с естественной коммутацией тиристоров. Известен способ управления непосредственным преобразователем частоты .согласно которому преобразование переменного напряжения одной частоты непосредственно в другую осуществляют дискретными ступенями, при которы периоды повторения входной и выходной частот имеют общее наименьшее де лимое и управление преобразованием частот осуществляют по заранее составленным отдельным программам подачи импульсов на тиристоры flX Недостаток этого способа - ограни ченные возможности выбора значений входного напряжения преобразователя для формирования выходного напряжени требуемой 1астоты, величины и фазного сдвига, особенно при естественных коммутациях преобразователя. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ циклического переключения вход ных фаз преобразователя (способ кваз однополосного преобразования частоты) , заключающийся в поочередном, подключении к нагрузке на одинаковые промежутки времени сдвинутых iio фазе величин входного напряженияС Недостатком известного способа является то, что в каждый момент вре мени только одна величина входного напряжения принимает участие в формировании выходного напряжения преобра зователя, и так как частоты заданного и входного напряжений различны, то и кривые заданнс1Го и выходного напряжений имеют значительные отличия по фазе, что особенно наблюдается при естественной коммутации тиристоров преобразователя. Цель изобретения - улучшение качества выходного напряжения, т.е. уменьшение в выходном напряжении пре образователя гармонических составля ющих, не соответствукицих заданной выходной частоте. Поставленная цель достигается тем что согласно способу дискретного регулирования частоты (непосредственного преобразователя частоты), состоя щему в циклическом подключении поочередно следующих эквивалентных входных фаз к нагрузке на определенные, одийаковые промежутки времени, задании тех значений частот выходного напряжения преобразователя, при которых периоды повторения входного и выходного напряжений имеют общее наименьшее делимое, и в последующем преобразовании частоты согласно предварительно составленной для каждого значения выходной частоты программы переключения ключей преобразователя, синхронизированной с определенной фазой входной системы напряжений преобразователя, напряжение подключаемой эквивалентной входной фазы суммируют с дополнительным напряжением отстающей фа13ы с нарастающей .по полупериодам входной частоты амплитуды, задаваемой из условий максимального приближения суммарного напряжения к моногармоническому напряжению заданной выходной частоты. Предлагаемый способ не может быть реализован известными схемами преобразователей. Изыестен преобразователь, имеюгций га-фазный трансформатор с двумя комплектами вторичных обмоток, подключением которых на выходе преобразователя поочередно формируют выходное напряжение обеих полярностей. Использование этой схемы преобразователя позволяет получить на выходе шесть эквивалентных входных фаз преобразователя С 3. Однако- этот преобразователь не может обеспечить последовательное включение данных входных напряжений и ступенчатое регулирование их значений, что необходимо для осуществления предлагаемого способа. Наиболее близким к предлагаемому являетс;я непосредственный преобразователь частоты с искусственной коммутацией тиристоров, имеющий т-фазные тиристорн1 1е мосты, связывающие m входных вывбдов преобразователя с ;.его выходными выводами, а также встречнопараллельно включенные тиристоры,i через которые каждый Из выходных выводов преобразователя соединен с дополнительным т+1 входным вьтодом, подключаемым к нулевой точке питающей сети UL Данная схема позволяет подключить к нагрузке поочередно следующие величины входного напряжения, однако не позволяет осуществить последовательное их включение, поэтому известное

устройство также не может реализовать предлагаемый способ.

Цель изобретения - улучшение качества выходного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в непосредственном преобразователе частоты, содержащем тиристорные мосты, встречно-параллельно включенные тиристоры, которых связывают каждый фазный и нулевой входные выводы с каждым выходным выводом преобразователя, и блоки реализации программы управления, включакицйе в себя компаратор, счетчик импульсов, дешифраторы и распределители импульсов, в выходную цепь каждой фазы преобразователя введен регулятор напряжения, выполненный в виде трансформатора, концы и промежуточные отводы вторичной обмотки которого через управляе№1е ключи переменного тока подключены к, одному ВЫХОДНОМУ выводу этого моста, а его первичная обмотка подключена к выходным выводам тиристорного моста соответствующей соседней фазы преобразователя.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого преобразоват еля; на фиг.2-4временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя; на фиг. 5 блок-схема системы управления преобразователя.

Преобразователь (фиг. 1) содержит силовые входные выводы 1-4, образованные выводами переменного тока мостов, например моста 5, одной фазы нагрузки 6, которые подключают соответственно к фазным напряжениям и к нулевому выводу источника питания соответственно. Последовательно с нагрузкой 6 включен регулятор 7 переменного напряжения, первичная обмотка 8 трансформатора которого подключена к выходным выводам тиристорного моста соседней вькодной фазы преобразователя. Регулятор 7 совместно 6 мостом 5 образует фазный комплект 9 преобразователя. Фазные комплекты двух других фаз нагрузки обозначены цифрами 10 и 11. Тиристоры 12-15 мос - та 5 обеспечивают подключение вхрд ной фазы 1 к одному (левому) выводу фазы нагрузки 6 и нулевой вывод 4 к другому (правому) ее выводу, приче с помощью тиристоров 14 и 15 - отрицательное направление. Аналогично с помощью тиристоров 16, 17 и 18, 19 подключают входную фазу 3, причем за

счет первой пары тиристоров обеспечивают положительное направление, а с помощью второй пары - отрицательное направление тока нагрузки.

Тиристоры 20-27 регулятора 7 напряжения обеспечивают подключение нулевой, первой, второй, третьей ступеней регулирования напряжения, причем тиристоры с четными номерами включают при формировании отрицательного направления тока нагрузки, а тиристоры с нечетными номерами - при формировании положительного направления этого тока.

На фиг. 2 приведены U.g - кривые входного напряжения, которые можно подключить на выводы тиристорных мостов выходных фаз преобразователя (или эквивалентные входные фазы

it.it ион iiTi АИ 11ГМ : гт

-ч J Ч J, .l

кривая заданного или эталонного напряжения одной выходной фазы преобразователя при четырех полупериодах подключения каждой эквивалентной входно фазы на выводы соответствующего тири торного моста с заданной выходной чатотой, равной 46, 15 Гц, при входной частоте преобразователя, равной 50 Гц; ли - кривая мгновенной разности напряжений между заданным напряжением Uj и поочередно подключенными, например 1, 2, и т.д., входными напряжениями на выходные выводы тириторного моста; 3(0,2) 3(0,5) 3 (0,7| ; 4-(0,2| кривые дополнительного входного напряжения 3 и 4, последовательно включаемые в цепи тиристорный мост - нагрузка через регулятор напряжения. Указанные в скобках значения дополнительных входных, напряжений 3 или 4 указывают степень регулирования напряжения, подаваемого через трансформатор от тиристорного моста циклически следующей входной фазы преобразователя, и примерно равное кривой разности напряжения 4U; U,результирующая кривая выходного напряжения преобразователя, по/хаваемая. на фазу нагрузки преобразователя и полученная включением напряжения от выхода тиристорного моста соответствующей выходноЯ фазы последовательно с дополнительным регулированием по величине напряжением с выхода регулятора напряжения.

На фиг. 3 приведень кривые формирования трехфазного выходного напряжения преобразователя при пяти полупериодах подключения каждой поочередно следунм1ей эквивалентной входной фазы на выводы тиристорного моста с,заданной выходной частотой 5 46, 88 Гц, где кривые, обозначенные цифрами 1 до 6, аналогичны кривым, приведённым На фиг. 2, и где регулятор напряжения имеет четыре ступени регулирования дополнительного напряжения. U , , Ujj кривые зталонного напряжения трех выходных фаз преобразователя; li } 4l2 АЗ кривые дополнительных, регулщ уёмых . по величине напряжений, последователь но включаеьб(Х в выходной цепи соответствующей фазы преобразователя.

На фиг. 4 приведены кривые выходного напряжения и тока Ugi,,, ,г первой фазы совместно с имйульсами 20 управления U тиристорами этой фазы преобразователя, а также кривая напряжения на тиристорном мосту второй выходной фазы преобразователя Vgbtx причем 28-37 моменты подачи импуль- ; сов управления.

На фиг. 5 приведен пример выполнения, блок-схемы системы управления, которь содержит следуяящ1е блоки: компаратор 38, связьтающий реализациюзо программ подачи импульсов с определенйой фазой входной системы управления; управляеьа 1й ключ 39; генератор 40 прямоугольных импульсов с частотой на порядок большей, чем входная частота 35 преобразователя;; двоичный счетчик 41, который ведет счет импульсов генератора управления; 42 импульсов повтЭ| ения счета счетчиком 41; дешифраторы 43-45 импульсов управле- 40 ния тиристорами преобразователя соответственно в трех выходных фазах преобразователя; распределители 46-48 импульсов управления по тиристорам преобразователя; блоки 49 усиления 45 импульсов управления тиристоров трех выходных фаз преобразователя; счетчик 50 числа периодов входного напряжения; блок 51 сброса информации после реализации программы подачи 50 импульсов управления тиристорами преобразователя.

Уменьшение в выходном напряжении преобразователя гармонических составляющих, не соответствующих заданной 5S выходной частоте, по Данному способу, реализуется при помощи устройства (фиг. 1) следукщим образом.

Известно, что путем фазного сдвиг одного из последовательно включенных источников переменного напряжения моно регулировать результирующую величину переменного напряжения. Однако если в этом способе регулирования напряжения поменять местами функции фазного сдвига и регулирования напряжения, то путем регулирования величины напряжения можно изменить фазньй сдвиг результирующего напряжения, полученного путем последовательного включения переменных напряжений разных фаз. Как видно из фиг. 2, при поочередном подключении к нагрузке (например кривые U, U) на определенные промежутку времени каждой эквивалентной входной фазы постепенно появляется мгновенная разница напряжения ли между заданным напряжением Uj соответствующей частоты и подключенными входными напряжениями U , ULи т.д. Для компенсации этой разницы включают последовательно с основным подключенным к нагрузке напряжением и,U2 и т.д. дополнительное напряжение от другой эквивалентной входной фазы, т.е. сдвинутой по фазе относительно основного входного напряжения. Так, например, для компенсации разницы isU напряжений U и U последовательно с напряжением U включают напряжение U, , значение которого увеличивают, например 0,2; 0,5; 0,7 от и,, по мере увеличения разности напряжений заданного U . подключенного U, U2 и т.д. Как видно из фиг. 2, дополнительное компенсирующее напряжение U, сдвинуто по фазе относительно напряжения U, и по мере увеличения значения компенсирующего напряжения можно постепенно регулировать фазный сдвиг результирующего напряженияна нагрузке как сумму двух переменных напряжений разных фаз и значений напряжения. В результате такого последовательного включения, суммарное напряжение U.,.,

ВЫХ

на нагрузке по фазе и величине больше соответствует заданному напряжению требуемой частоты по сравнению с применением только одного подключенного к нагрузке напряжения, например и и U- (фиг. 2). Следовательно, применение предлагаемого способа уменьшает потери энергии, путем уменьшения в выходном напряжении гармонических составлякнцих, не соответствующих заданной частоте напряг жения преобразователя. Как видно из фиг. 3, предлагаемый способ таким же образом реализуется при преобразовании трехфазного выходного напряжения преобразователя. Для реализации предлагаемого способа требуется последовательное включение двух эквивалентных входных фаз, что осуществляется в предлагаемом устройстве последовательным включением в цепь . тиристорный мост 5 нагрузка 6 регулятора напряжения 7, как это показано на фиг. 1. Регуля-тор напряжения 7 позволяет любым из известных способов регулированиянапряжения менять постепенно значение последовательно включенного дополнительного напряжения. Как зто видно на фиг. 2, кривая Uj со значениями 0,2; 0,5; 0,7, а также кривые Цд, АЗ со значениями 0,20; 0,35; 0,50; 6,65, при помощи которых разница между заданным напряжением соответствующей частоты и суммарным входным напряжением стремится к нулю.

Как видно из фиг. 2 и фиг. 3, разница ди заданного и подключенного на выходе тиристорного моста напряжения близки по фазе с входным напряжением Uj, подключенным в этом время на выходе тиристорного моста второй выходной фазы хфеобразователя.

Процесс преобразования частоты непосредственного преобразователя с естественной коммутацией тиристоров, согласно предлагаемому способу, с формированием выходного тока частото 46, 15 Гц изображен на фиг. 4. С целью уменьшения разницы между эталонным напряжением U и подключенным входным напряжением U, последовательно с напряжением 1) включают дополнительное регулируемое по зна.ению 0,25;, 0,50; 0,70 напряжение Щ (на фиг. 4 показано внизу), подавае мое от тиристорного моста второй выходной фазы преобразователя.

В момент времени 28 включают тиристоры 12, 21, 13 (фиг. 1). Приложенное к нагрузке 6 положительное напряжения U образует выходной тбк

. (фиг. 4). В момент времени 29

Bbixi

OeiAl„-,.

включают тиристор 23, вследствие чего к выходному напряжению Ugy cyMHH руется дополйительнре напряжение U со значением 0,25 от номинального.

т.е. вводится в действие первая ступень регулирования напряжения. В момент времени 30 включают тиристоры 14, 22, 15с целью образования отрица тельной полуволны тока. В момент времени 31 в вьшрямительном режиме работ преобразователя увеличивают значение дополнительного напряжения от 0,25 до 0,5 включением тиристора 24 регулятора напряжения. В момент времени 32 в пределах прекращения отрицательного выходного тока включают тиристоры 12, 25, 13. В момент времени 33 открыванием тиристора 27 включают третью ступень регулирования дополнительного напряжения со значением 0,7 от номинального. В момент времени 34 включают тиристоры 14, 26, 15, для образования отрицательной полуволны тока. В течение всего времени подключения каждой эквивалентной входной фазы, в данном случае U , рекомендуется подавать непрерьгоные управляющие импульсы на тиристоры 12-15, а переходы с одной ступени регулирования напряжения на другую в регуляторе напряжения осуществлять в вьтрямительном режиме. Для обеспечения надежной раздельной работы тирнсторных групп различной проводимости преобразователя после окончания подключения одного входного напряжения, например и, в момент времени 35 требуется создать паузу отсутствия проводимости (несколько сот микросекунд), после чего можно подключить следующую эквивалентную входную фазу, например 2, в момент времени 36 включением тиристоров 18, 21, 19 и повторить, весь цикл подключения. Как видно из фиг. 1, первичная обмотка 8 трансформатора выходной фазы 9 подключена к тиристорному мосту выходной фазы 10 первичная обмотка 8 трансформатора выходной фазы 10 подключена к тиристорному мосту выходной фазы 11, а первичная обмотка Трансформатора вы- ходной фазы It подключена к тиристорному мосту выходной фазы 9. РезулЙ ты работы предлагаемой схемы подключения корректирующих напряжений показаны также на фиг. 3, кривые U,

А2. %V

Система управления для осуществления предлагаемого способа работает следующим образом.

Компаратор 38 выявляет начало положительного полупериода входного напряжения одной фазы. Управляемый ключ 39 привязьгоает импульсы генера тора 40 прямоугольных импульсов к входному напряжению, чем осуществля ется умножение .частоты. Двоичный счетчик 41 ведет счет импульсов, по тупивших от ключа 39. Дешифратор 42 вьщает импульсы повторения счета счетчиком 41 после. постзгпления от кл ча 39 количества импульсов, равных . по продолжительности полупериоду выходного напряжения. Блоки 43-45 дешифруют импульсы согласно заданным моментам открывания тиристоров пре-. обраэоаателя соответственно в трех выходных фазах преобразователя. Распределители 46-48 распределяют дешифрованные .импульсы по тиристорам, а блоки 49 осуществляют усиление импульсов. Для уменьшения влияния по мех и исключения возможных возникающих ложных импульсов введены блоки So и 51. Блок 50 осуществляет за счет заданного числа периодов входного напряжения, после чего дешифратор 51 нмпульса сброса осуществляет сброс всей ранее записанной инфор мации. JBbmie указаннь м способом можно преобразовать частоту выходного напряжения преобразователя с естественной коммутацией тиристоров, работая в диапазоне выходных частот, близких к входной частоте. В таблице приведен ряд значений, применяемых для регулирования частоты. Ожидаемый технический эффект пред.лагаемого способа и устройства для его реализации в сравнении с базовым заключается в улучшении формы кривой выходного напряжения заданной частоты, т.е. он позволяет уменьшить в выходном напряжении преобразователя гармодические составляющие, не соответствукйцие заданной выходной частоте, вследствие чего уменьшаются потери энергии в потребителе. Кроме того, согласно предлагаемому способу и устройству для его реализации, можно добиться синусоидального выходного напряжения заданной частоты, поскольку суммирование нескольких синусоидальных напряжения регулируемых . по фазе и по значению в результате дают также синусоидальное напряжение. Такой результат получен без применения искусственных коммутаций тиристоров преобразователя,, и коэффициент мощности преобразователя высокий, .поскольку напряжение регулируют в основном не фазовым способом, а использованием на нагрузку по полупериодам разных значений входного напряжения преобразователя.

2/0.65)

Фиг.

1. СПОСОБ ДИСКРЕТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ, заключающийся в циклическом подключении поочередно следуюощх эквивалентных входных фаз к нагрузке на определенные, одинаковые промежутки времени, задании тех значений частот выходного напряжения преобразователя, при которых периоды повторения входного и выходного напряжений ииеют общее наименьшее делимое, и в последующем преобразовании частоты согласно предварительно составленной для каждого зяачения выходной частоты программы переключения ключей преобразователя, синхронизированной с определенной фазой входной системы напряжений преобразователя, отличающййС я тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения, напряжение подключаемой эквивалентной входной фазы суммируют с дополнительным напряжением отстающей фазы с нарастающей по полупериодам входной частоты амплитуды, задаваемой из условий максимального приближения суммарного напряжения к моногармоническому напряжению заданной выходной частоты. 2. Непосредственный преобразователь частоты, содержащий тиристорные мосты, встречно-параллельно включенные тиристоры которых связывают каждый фазный и нулевой входные выводы S с каждым выходным выводом.преобразователя, и блоки реализации программы управления, включающие в себя компаратор, счетчик импульсов, дешифраторы и распределители импульсов, отличающий ся тем, что, с целью улучшения качества преобразованного напряжения за счет уменьшения его коэффициента гармонии,, в выходную цепь калэдой фазы преобразоа вателя введен регулятор напряжения, со выполненный в виде трансформатора, концы и промежуточные отводы вторич4 ной Обмотки которого через управляющие ключи переменного тока подключе-. ны к одному выходному выводу этого моста, а его первичная обмотка подключена к выходным выводам тиристорного моста соо ветствующей соседней фазы преобразователя.

29 30 1

3 33 п П п п п

37

/412

215 22 г4 5 27 5

ftf

f8 2i /9

26 IS

23

/

Фие.