Преобразователь частоты для расщипленной нагрузки Советский патент 1984 года по МПК H02M7/515 H02P7/42 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано для питания электродвигателей. Известен преобразователь частоты для расщепленной нагрузки, содержащий два инвертора напряжения, выходы которых подключены к обмоткам асинхронного двигателя JY| . Вследствие несинусоидальности напряжения инвертора возрастают потери в двигателе, а при низких частотах появляется неравномерность вращения, ограничивающая нижний предел регулирования. Известен преобразователь частоты для расщепленной нагрузки, содержащий два. трехфазных инвертора напряжения, предназначенные для сдвига напряжения по фазе на 30°, выходные выводы которых связаны с системой обмоток трехфазного трансформатора, имеющего на каждом стержне .по три обмотки, предназначенные для подключения к инвертору и к нагрузке, причем первичные обмотки подключены к инвертору, а вторичные соединены в зигзаг Я . Недостаток устройства состоит в том, что трансформаторы рассчитываются на половину мощности нагрузки, что ухудшает его малогабаритные показатели. Цель изобретения - улучшение массогабаритных показателей за счет уменьшения установленной мощности трансформатора. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе частоты для расщепленной нагрузки содержа Iщем два трехфазных инвертора наi пряжения, предназначенные для сдви напряжения по фазе на 30 , выходны выводы которых связаны с системой обмоток трехфазного трансформатора имеющего на каждом стержне по три обмотки, предназначенные для подключения к инвертору и к нагрузке, первая обметка каждой фазы трансформатора выполнена с.числом витко в -ifT раз. больше числа витков второй и третьей обмоток, причем первая обмотка своими началами подклю чена к выводам инвертора с опережа щим напряжением, а ее концы образую первую трехфазную : систему выводов для подключения нагрузки, концы каждой из вторых обмоток, расположенных на общем стержне с соответствующей первой обмоткой, подключены к одноименным выводам инвертора с отстающим напряжением, а н.ачала этих обмоток соединены с началами третьих обмоток, составляющих отстающую фазу, а концы третьих обмоток образуют вторую трехфазную систему вьтодов для подключения нагрузки. На фиг.1 предст.авлена принципиальная схема преобразователя частоты для расщепленной нагрузки, в качестве которой использован двигатель с расщепленной обмоткой на статоре; на фиг.2 - то же, но с двумя отдельными двигателями, на фиг.З и 4 - векторные и временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя. Преобразователь частоты содержит дв.а трехфазных инвертора 1 и 2, предназначенные для обеспечения .j фазового сдвига напряжений на 30 , подключенные к источнику 3 постоянного тока. Выводы инверторов свят заны с нагрузкой через систему обмоток трехфазного трансформатора 4, на каждом стержне ко«горого расположены три обмотки. Первые обмотки 5 каждой фазы имеют в j раз большее число витков, чем вторая 6 и третья 7обмотки трансформатора. При этом обмотка 5 своими началами подключе-. на к вьшодам инвертора 1 с опережающим напряжением, а ее концы образуют первую трехфазную систему выводов 8для подключения нагрузки. Выводы каждой из вторых обмоток 6, расположенных на общем стержне с соответствующей первой обмоткой, концами подключены к соответствухицим выводам инвертора 2 с отстакицим напряжением, а цачалаг ш соединены с началами третьих обмоток 7, составля щих отстающую фазу, а концы этих третьих обмоток образуют вторую трехфазную систему выводов 9 для подключения нагрузки. В качестве нагрузки может быть использован трехфазный двигатель 10 с расщепленной обмоткой статора, состоящей из двух секций 11 и 12, смещенных по окружности статора друг относительно друга на угол 30/р градусов, вьшоды которых под3ключены к вьтодам 8 и 9 трехфазного трансформатора,. В качестве нагрузки могут быть использованы два отдельных двигателя 13 и 14, роторы которых установлены на .общем.валу, а статорные обмотки подключены к вьтодам 8 и 9 трансформатора. Устройство работает следую1цим об разом. Напряжение трехфазного инвертора имеет прямоугольно-ступенчатую форму. Такую форму можно получить, рассматривая проекцию на ось +j дискретно вращающегося вектора (фиг.ЗЙ). Этот вектор неподвижен в течение некоторого интервала, а затем мгновенно поворачивается на угловой шаг й6 77-, где N - некоторое целое число, причем момент по ворота вектора совпадает с моментами коммутации вентилей, а величина углового шага АС5 численно равна углу меладу коммутациями. Посколь ку вентили инверторов 1 и 2 переклю чаются со сдвигом по фазе на 30 , их интервалы непрерывности q, и q2 не совпадают друг с другом. Взаимное расположение этих интервалов показано на фиг.За. I Так как в течение интервалов непрерывности напряжения на выходе ин верторов 1 и 2 постоянны, напряжения на всех других элементах также будут постоянны. Из этого следует, что напряжения на обмотках трансфор матора и двигателя будут иметь прямоугольно-ступенчатую форму, но про должительность интервалов непрерывности q для этих напряжений в два раза меньше (фиг.За). Для интервала непрерывности все напряжения могут бьггь изображены соответствуюпц - ми векторами. Обозначим U йл -о- Е 1 - модули векторов фазных напряжений на обмотках 11 и 12 асинхронного двигателя 10,Up и Ug модули фазных напряжений на обмотка трансформатора. Построим векторную диаграмму для одной фазы для интервала непрерывности Г. Векторы напряжений U и U2 -в этом интервал совпадают по фазе и располагаются под углом относительно оси -J-j (фиг.ЗН). Поскольку полуобмотки ста 4 .4 тора 11 и 12 смещены в пространстве на угол 30/р пзадусов, векторы напряжений ,иа и U должны быть сдвинуты по фазе на 30 . Благодаря указанному соединению обмоток 6 и 7 трансформатора 4 напряжения U у и Ug, должны быть сдвинуты на 150 . С учетом этих фазных соотношений, а также с учетом очевидных равенств и, и + Us) Uj, U4 -t- U6 построена векторная диаграмма (Фиг.3§). При коммутации вентилей в инверторе 1 его вектор напряжения U повернется на 60°. Тогда для йнтер-. вала непрерывности q 2 будет справедлива векторная диаграмма фиг.Зв, построенная при соблюдении тех же фазовых соотношений между векторами напряжений UrH и. Изнее следует, что модули напряжений V и Щ остались неизменными, но эти векторы повернулись на 30° по сравнению с интервалом непрерывности q., 1 .Модули векторов Ue и и также остались неизменными, но эти векторы поверну- . лись на 46 210°. Аналогичным образом может быть рассмотрено положение векторов на последующих интервалах. В соответствии с этими диаграммами построены временные диаграммы напряжений Uj, V и U (фиг.4). Разложение в ряд Фурье показывает, что в напряжении на статоре содержатся гармоники порядка V; 1,2,3. В напряжении на трансформаторе присутствуют гармоники порядка 6(2k-1)4-l, К 1,2,3. Расчетная мощность трансформатора определяется в виде 1 , где 3 - действующее значение линейного тока; Uj , - действукицее значение . синусоидального напряжения основной частоты, эквивалентное по потерям в сердечнике несинусоидальному напряжению. Учитывая малую степень искажения напряжения на нагрузке, ее полную мощность найдем как

би-е-иц,,,

- действующее значение

.где и,

н(0 основной гармоники фазного напряжения нагрузки.

Тогда расчетная мощность трансформатора в относительчьк единицах определяется как .

Ч,..(Х5и-„

где (L

- относительная велиUНСО , чина эквивалентног

напряжения.

Для расчета потерь при синусоидальном напряжении воспользуемся соотношением .

, i, (хчО

Р Р

,foi (в:), сг о

о I о

V.удельные потери при некогдеторых базовых значениях частоты fo и магнитной индукции BQ.

Полагая, 1что f f и учитывая, .чтб ТГ, и,) где и,, - действующее значение основной гармоники напряжения инвертора, что в напряжении на трансформаторе присутствуют только гармоники порядка , 6(2k-1)-H и что и., 4-U.i найдем

, ,-у 21

U

Полагая, что р 2, получим

(7+8,5)Z

fp

В этом случае, когда электропривод механизма может быть вьтолнен двухдвигательным, в устройстве возможно использование двух двигателей половинной мощности обычной конструкции с одной обмоткой на статоре. Каждая обмотка статора подключается к вьшодам переменного тока одного из мостов последовательно с одной из обмоток трансформатора (фиг.2). Валы двигателей должны быть жестко связаны друг с другом.

Таким образом, использование указанного соединения трансформатора при работе на расщепленную нагрузку позволяет уменьшить установленную мощность трансформатора с подавлением 5-ой и 7-ой гармоник тока.

б Агф

Р

1Z

Фиг.1

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЛЯ РАСЩЕПЛЕННОЙ НАГРУЗКИ, содержащий два трехфазных.инвертора напряжения, предназначенные для сдвига напряжения по фазе на ЗО, выходные выводы которых связаны с системой обмоток трехфазного трансформатора, имеющего на каждом стержне по три обмотки, предназначенные, для подключения к инвертору и к нагрузке, отличающийся тем, что, с целью улучшения массо-.габаритных показателей за счет уменьшения установленной мощности трансформатора, первая обмотка каждой фазы выполнена с числом витков в лЗ раз больше числа витков второй и третьей обмоток, причем первая обмотка своими началани подключена к выводам инвертера с опережающим напряжением, а ее концы образуют первую трехфазную систему выводов для подключения нагрузки, концы каящой из вторых обмоток, расположенных на общем стержне с соответствунщей первой обмоткой, подключены к одноименным выводам инвертора с отстающим напряжением, а начала зтих обмоток соединены с началами третьих обмоток, составляющих отстающую фазу, .а концы третьих обмоток образуют вторую трехфазную систему вьгоодов для подключения нагрузки.

t| M г AS ц s I

0.122

ФигМ