Статический преобразователь частоты Советский патент 1984 года по МПК H02M5/44 

Изобретение относится к области :иловОй преобразовательной техники, 9 частности к статическим преобразо вателям магнитовентильного типа, в которых используется трансформатор, выполненный на магнитопроводе по типу статора электрической машины переменного тока с вращающимся магнитньм полем, и может найти применение в системах электропитания в качестве вторичного источника напря жения стабильной или изменяющейся частоты с трансформаторным входом и выход ом например, дл,я питания разнообразных потребителей, частота питания которых выше или ниже часто ты промышпенной сети, а также для одновременного питания потребителей постоянным током. Известны преобразователи частоты , для которых характерным является на личие двух многообмоточных трансфор маторов входной и выходной частоты, используемых для целей согласования уровней напряжений питающей сети, преобразователя и нагрузки, как разделительные, и в то же время как ферромагнитные преобразователи числа фаз для организ ацри многофазной структзфы преобразования, обеспечивающей высокое качество потреб ляемого тока и выходного напряжения щ)еобразоватедей СП-ГЗ}. Наличие в этих преобразователях нескольких трансформаторов соизмеримой мощности, выполненных на магнитопроводах разных типоразмеров, приводит к увеличению массы и габари тов, повышенному расходу активных и конструкционных материалов на единицу мощности преобразователя, большой установленной мощности трансформатор ного оборудования и повш1ению трудоемкости его изготовления. Известны электромашинные преобразователи частоты,-в которых использован принцип совмещения нескольких вращающихся магнитных прлей в общем м гнитопроврде. Такие совмещенные преобразователи частоты представляют собой электрическую машину,- на статоре и роторе которой в общих пазах размещены разнополюсные обмотют отдельных машин преобразователя, между которьо4И взаимная индуктивная связь отсутствует. Такое совмещение магнитных систем нескольких электрических машин в общем магнитопроводе снижает массу и габариты преобразователя, улучшает использование активных материалов, повышает энергетические показатели и дает зна 1ительный экономический эффект 4 5. Однако недостатками электромашинных совмещенных преобразователей частоты являются плохие виброакустические характеристики, износ щеток и подшипников, механические потериJ пониженный коэффициент мощности требует применения емкостно компенсации-. В таких преобразователях при определенных условиях одновременное действие в совмещенном магнитопроводе несколько магнитных полей может привести к возникновению значительных электромагнитных сил вибрационного характера, способных цривести к нарушению нормальной работы преоб разователя, возрастанию намагничиваящих токов и магнитных потерь, появлению дополнительных шумов. Наиболее близким к предлагаемому является статический ферромагнитный преобразователь частоты с вращаяяцимся магнитным полем, содержащий общий кольцевой магнитопровод, вьлолненный по типу магнитопроводов машин переменного тока, в пазах которого расположены многофазные первичная и вторичная обмотки с различным числом полюсов, а на ярме магнитопровода расположена обмотка подмагничивания, питаемая от выпрямительного моста, подключенного зажимами переменного тока к концам первичной обмотки. Принцип действия такого преобразователя представляющего собой трансформатор с насьш1енным вращающимся и постоянным магнитными полями ферромагнитным магнитопроводом, основан на выдеяении высших гармонических ЭДС четного или нечетного порядка во вторичных обмотках, полюсноеть которого кратна номеру водепяемых гармоник. Простота, компактность, надежность и относительная дешевизна отличают его от преобразователей других типов. Применение в таких преобразователях частоты совмещенных обмоток позволяет усовершенствовать их конструкцию и улучшить массогабаритные показатели устройства 5. Однако использование в известном преобразователе частоты трансформатора с насыщенным магнитопроводом приводит к большим потерям энергии в нем, и как следствие, невысокому входному коэффициенту мощности и КПД Для повышения коэффициента мощности и улучшения внешней характеристики преобразователя в нем устанавливаются дополнительные конденсаторы емкостной компенсации, соизмеримой с преобразователем мощности, что приводит к увеличению веса и габаритов устройства. Кроме того, вследствие незначительности амплитуды и мощност рабочей гармоники повышенной частоты тока коэффициент использования установленной мощности преобразователя является низким. В связи с этим неэффективно также-использование гармоник выше третьей. Полученйе больших кратностей преобразования частоты возможно при каскадном соединении преобразователей, однако это усложняет устройство, приводит к увеличенному расходу активного материала, большому весу снижению КПД. Этот преобразователь частоты невозможно использовать в широком диапазоне частот, а- также при колеба киях напряжения питающей сети, что ограничивает область применения устройства. Целью изобретения является улучшение энергетических характеристик преобразователя частоты: пЬвьш1ение коэффициентамощности, КПД, уменьшение установленной мощности оборудования при широком диапазоне регулирования частоты и расширение функциональных возможностей устройства при повыпенньк требованиях к качеству потребляемого преобразователем тока и выходного напряжения. Для достижения поставленной цепи в статический преобразователь частоты, содержащий трансформатор с вращающимся магнитным полем, входная и выходная трехфазные обмотки которо го вьшолнены с различным числом полюсов - 2р1 и 2р2, и расположены на общем кольцевом магнитопроводе по типу магнитопровода электрических машин переменного тока, введены многофазный выпрямитель и многофазный полупроводниковый инвертор, выполненные по многофазным многоблочным мостовым схемам, а кольцевой магнитопровод трансформатора дополнительно снабжен двумя многофазными обмотками, вьиопненными с различным числом полюсов, причем концы одной многофазной обмотки с числом полюсов 2р1 подключены к входу многофазного выпрямителя, а концы второй многофазной обмотки с числом полюсов 2р2 подключены к выходу многофазного полупроводникового инвертора, соединенного своим входом постоянного тока с выходом многофазного вьтрямителя. Реализация в- таком преобразоватег ле идеи магнитного совмещения трансформаторов входной и выходной частот за счет использования свойств врап ющихся магнитных полей позволяет вьшолнить входную и выходную трехфазные разнополюсные обмотки, а также многофазные разнополюсные , обмотки в пазах одного общего магнитопровода с подключением многофазных обмоток к многофазному выпрямителю и многофазному инвертору. Такой двухчастотный трансформатор с вращающимся магнитным полем обладает минимальными весом и габаритом, благодаря пониженному расходу активных и конструкционных материалов уменьшается установленная мощность трансформаторного оборудования. Использование двухчастотного трансформатора в совокупности с многофазным выпрямителем и подключенным к нему многофазным инвертором с соответствующими многофазными вентильными обмотками позволяет при высоком качестве потребляемого преобразователем тока и выходного напряжения расширите диапазон регулирования выходной частоты преобразователя при нагрузке различного характера по отношению к частоте питающей сети, достичь плавности регулирования частоты, а также одновременно питать потребителей постоянным током. Такое построение преобразователя частоты при многократном преобразовании обеспечивает более высокий КПД и меньшую установленную мощность в сравнении с известным устройством, а также высокое качество потребляемого преобразователем тока и выходного напряжения. На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого прео разователя частоты на примере выполнения выпрямителя и полупроводникового инвертора по эквивалентной п-фазной и га-фазной соответственно мостовой схеме; на фиг. 2 - схема пространственного расположения обмоток трансформатора для этого случая. А, В, С фазы входной обмотки; а, Ь, с - фазы выходной обмотки; Ui,, f - напряжени и частота питающей сети переменного тока; Uji, fj - напряжение и частота выходного напряжения преобразователя; п - число блоков многофазного выпрямителя; m - число блоков многофазного инвертора; , , Cfl-Cy, - фазы многофазной обмотки с числом полюсов 2р1; ®1 т - фазы многофазной обмотки с числом:. полюсов 2р2. Многофазный трансформатор 1 с вра щающимся магнитным полем выполнен на одном общем кольцевом шихтованном магнитопроводе 2, в одних и тех же пазах которого размещены следующие обмотки, выполненные по типу обмоток машин переменного тока: входная трех фазная обмотка 3 с числом полюсов 2р1, выходная трехфазная обмотка 4 с числом полюсов 2р2у многофазная обмотка 5 с числом полюсов 2р1 и многофазная обмотка 6с числом полюсов р2. Многофазные обмотки 5 и 6 разделены на симметричные трехфазные группы, соединенные каждая звездой. Входная обмотка 3 соединена в звезду Вывода ее фаз А, В, С являются входо преобразователя и подключены к трехфазной первичной сети переменного то ка с частотой f и напряжением U. Многофазный выпрямитель 7 выполнен на основе трехфазной мостовой схемы с параллельным соединением п вьтрями тельных блоков и подключен своими входными выводами переменного тока к концам фаз , , ° гофазной обмотки 5. Выход многофазного выпрямителя 7 соединен с входными выводами постоянного тока многофазного полупроводникового инвертора 8, который также выполнен на основе трехфазной мостовой схемы с параллельным соединением m инверторных блоков. Выходные вьшоды переменного тока многофазного инверто- ра 8 подключены к концам фаз , b,-b, . многофазной обмотки 6. Выводы фаз выходной обмотки 4 соединенной в звезду, являются выходом преобразователя, с них снимается трехфазное напряжение Uo с частотой f- . - .л. . Входная трехфазная обмотка 3 трансформатора и многофазная обмотка 5, как и выходная трехфазная обмотка 4 и многофазная обмотка 6, индуктивно связаны друг с другом. Между обмотКами 3 и 5 с числом полюсов 2р1 и обмотками 4 и 6 с числом полюсов 2р2 взаимная индуктивная связь отсутствует. Преобразователь работает следующим образом. При подключении входной обмотки 3 трансформатора к трехфазной первичной сети переменного тока с частотой f в кольцевом магнитопроводе 2 трансфор-, матора образуется вращающееся 2р 1-полюсное магнитное поле Ф. Поскольку фазы обмотоки 5 имеют индуктивную связь с полем ф , на выводах переменного тока вьтрямителя 7 действует многофазная система ЭДС. Трехфазные группы обмотки 5 расположены с пространственным электрическим сдвигом на угол 1(/Зг друг относительно друга (фиг. 2). На выходе многофазного выпрямителя 7 формируется постоянное напряжение Uc( с малым коэффициентом пульсаций .и частотой пульсаций ,, которое поступает на входные выводы многофазного инвертора 8. Вентильные мосты инвертора коммутируются с временным сдвигом л/Зт и формируют в фазах обмотки 6 многофазную систему напряжений с частотой fj. Результирующее вращающееся 2р2-полюсное магнитное поле ф системы токов этой обмотки наводит в индуктивно связанной с этим полем выходной обмотке 4 трехфазную систему многоступенчатых ЭДС с низким процентным содержанием высших гармоник. Таким образом, обмотки 3 и 6 создают в общем кольцевом магнитопроводе трансформатора 1 два одновременно действукицих разнополюсных магнитных поля. Совместное действие в общем магнитопроводе разнополюсных полей Ф2 налагает определенные условия на выбор электромагнитных нагрузок трансформатора t. Магнитопровод трансформатора долен быть ненасьш1енный, что является дним из условий синусоидального аспределения магнитных полей Ф и Ф по СВОЮ полюсным делениям и одноременно исключает проникновение ходной частоты на выход преобразо4теля, и наоборот, а также обеспечиает высокое качество потребляемого реобразователем тока и выходного апряжения. Для этой же цели применятся многофазное построение выпрямиеля и инвертора преобразователя. 711 поскольку при такой структуре в тран сформаторе образуются круговые магни ные поля с малыми пульсациями и высокой степенью равномерности вращения. Вращение магнитных полей Ф и ф- может быть как согласным, так и встречным. Обмотки трансформатора необходимо выполнять, устраняя взаимные индуктивные связи между разнополюсными обмотками, расположенными в общих пазах, т.е. необходимо устранить вли яние поля ф 2р1-полюсной обмотки 3 на 2р2-полюсные обмотки 4 и 6 и поля 022р2-пЬлюсной обмотки 6 ria 2р1 полюсные обмотки 3 и 5. Это достигается выбором соответствующих шагов обмотки, соответствующим распределением катушечных групп в фазах, ограничением числа параллельных ветвей обMO.TOIf. Так, например, при соотношении чи сел пар полюсов обмоток р2/Р1 «3 обмо ка 3 и обмотка 4 трансформатора взаи индуктивно друг с другом не связаны, если обмотка 3 с числом полюсов 2р1 выполнена двухслойной с шагом у 2/3t,, где полюсное деление по ля ,ф, в одну или две соединена а обмотка 4 с параллельные ветви. .JXJlCtflJpriOiC JDC 1 01 у О. 1 XVО, -Г Ч. числом полюсов 2р2 выполнена однослой ной или двухслойной с диаметральным шагом у % Д полюсное делен поля Ф2 , и соединена в одну параллельную ветвь а 1К При соотношении чисел пар полюсов обмоток 2р/Р1 2 об мотка 3 и обмотка 4 трансформатора взаимоиндуктивно друг с другом не св заны, если обкотка 3 с числом полюсов 2р1 выполнена однослойной или двух слойной с диаметральным шагом у Г а обмотка 4 с числом полюсов 2р2 выполнена с шагом у. f- и соединена в одну параллельную ветвь. В этих случаях вредные действия электродействующих сил, наводимых в катушечных группах обмотки 3 полем ф и в катушечных группах обмотки 4 полем ,Ф, сводятся к нулю, и эти обмот ки можно соединить как звездой, так и треугольником. Такие условия устра- нения взаимоиндуктивных связей межд двумя разнополюсными обмотками,, расположенными в общем магнйтопроводе, справедливы и для многофазных обмоток 5 и 6. Основным условием выбора числа пазов магнитопровода является возможность выполнения многофазных обмоток с требуемым числом полюсов. Благодаря тому, что магнитные цепи трансформатора ненасыщены и в них практически Отсутствуют воздушные зазоры, намагничивающий ток трансформатора незначителен (3-8%) и преоб- . разователь имеет высокий коэффициент мощности на входных зажимах (), следовательно, в нем нет необходимости в установке .компенсирующих конденсаторов. Реактивный ток нагрузки преобразователя замыкается через группы обратных диодов инвертора и цепь постоянного тока без влияния на величину коэффициента мощности на входе. Внешняя характеристика этого преобразователя является более пологой, чем у известного. При больших кратностях преоЬразования частоты хорошо используется уста- новленная мощность трансформатора преобразователя. Амплитуда основной рабочей гармоники вращающегося магнитного поля Ф. не зависит от соотношения частот f и f2. По этой же причине мощность и КПД преобразователя практически не зависят от выходной частоты. Диапазрн выходной частоты преобразователя, который задается автономным многофазным инвертором 8, ограничивается только свойствами материала магнитопровода трансформатора 1. Нормальное функционирование устройства при нагрузках различного характера обеспечивается многофазной структурой преобразования, позво.пяющей получить близкое к синусоидальному распределение магнитных полей 4, и Ф2 по полюсным делениям Т и fj . Преобразователь сохраняет свою работоспособность при колебаниях напряжения питакицей сети. Инвертор и выпрямитель преобразователя могут быть выполнены и по другим схемам, обеспечиваюВ(им высокое качество потребляемого тока и выходного напряжения, например порезонансным или каскадным, однако это ограничит диапазон возможных нагрузок, с которыми работает данный преобразователь . Таким образом, по сравненгао с известным предложенный преобразователь частоты имеет более высокий cos на входе, что обеспечивается отсутствигем насыщенных магнитных полей в трансформаторе, низким содерж1анием высших гармоник в разнополюсных врасцающихся полях и отводом реактивного тока через обратные диоды инвертора.

91

При выходной мощности 4 кВт преобра

зователь имеет на входных зажимах 0,95 (у известного cos f 0,2-0,4, что требует установки конденсаторов емкостью 200 мкФ).

Предложенное устройство преобразует промышленную частоту 50 Гц в повышенную частоту в диапазоне 40017794JO

1500 Гц при КПД не менее 78% и массе преобразователя. 115 кг и допускает регулирование частоты и величины вы- ходного напряжения, В известном уст5 ройстве возможно получение только jудвоенной (100 Гц) или утроенной (150 Гц) частоты при КПД 62-75%, массе 185 кг и выходной мощности преобразователя 4,5-6,2 кВт.

Zpl SA

грг Ьт.

СТАтаЧЕСКИЙ ПРЮВРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащий трансформатор с вращающимся магнитным полем, вход ная и выходная трехфазные обмотки которого выполнены с различным числом полюсов - 2р1 и 2р2 и расположены на общем кольцевом магнитопроводе по типу магнитопровсда электрических машин переменного тока,отличающийся тем, что, с целью з лучшения энергетических характеристик и расширения функциональных возможностей, в Него введены многофазный выпрямитель и многофазный полупроводниковый инвертор, вьшолненные по многофазным многоблочным мостЬвым схемам, а кольцевой магнитопровод трансформатсфа дополнительно снабжен двумя многофазными обмотками, выполненными с различным чис лом полюсов, причем концы одной многофазной обмотки с числом полюсов 2р1 подключены к входу многофазного выпрямителя, а концы второй многофазной оймотки с числом полюсов 2р2 подключень к вькоду многофазного полупроводникового инвертора, соединенного своим входом постоянного тока с выходом многофазного выпрямителя.- . CD 4а