Двухзонный непосредственный преобразователь частоты и числа фаз в режиме источника тока Советский патент 1985 года по МПК H02M5/27 

1 Изобретение относится к преобраз вательной технике, а именно к непосредственным преобразователям часто ты, и может бьггь использовано в час тотно-управляемых приводах переменного тока, в частности, в тяговых электровозах переменного тока, питаемых от однофазной контактной сет Известны преобразователи частоты с непосредственной связью и искусственной коммутацией, выполненные в каждой фазе по мостовой схеме на си ловьсх тиристорах, содержащие анодны и катодные группы распределительных диодов, подсоединенных к противоположным плечам силовых тиристо ных моетов, однофазные мосты коммутирую щих тиристоров., подключенные через трехфазные диодные мосты к фазам питающей сети, коммутирующие LC-цепи, включенные в диагональ однофазных мостов коммутирующих тиристоров фильтровые конденсаторы, подключенные к выходу трехфазных диодных мое тов 1 и 2. Однако указанные устройства не позволяют/при использовании их для питания трехфазного асинхронного дв гателя от однофазной контактной сет получить требуемую форму вьрсодного напряжения и тока. При глубоком рег лировании выходных частоты и напряжения значительно искажается форма тока питающей сети, уменьшается коэффициент мощности, увеличивается коэффициент пульсаций выходного напряжения. Указанные недостатки приводят к значительному снижению энергетических показателей преобразовательной установки. Наиболее близок к изобретению непосредственньй преобразователь частоты и числа фаз с неявным звеном постоянного тока, содержащий две группы основных и две группы дополнительных тиристоров, каждая и которых вьшолнена в виде трех цепочек, состоящи5 из попарно-встречно-последорательно соединенных тиристоров, причем катоды цепочек первых групп основных и дополнитель ных тиристоров присоединены к вывод одной из вторичных обмоток однофазного трансформатора. Точки соединения анодов и точки соединения катодов керной и второй групп основных тиристоров попарно объединены между 58 собой, образуя выходные выводы преобразователя. Точки соединен я анодов и точки соединения катодов первой и второй групп дополнительных тиристоров также соединены между собой попарно и через коммутирующие конденсаторы подключены к упомянутым выходным выводам преобразователя. Преобразователь в неявном звене постоянного тока содержит реактор (3J . Схема-прототип позволяет осуществлять регулирование выходной частоты с помощью искусственной коммутации, а регулирование выходного напряжения осуществляется с помощью естественной коммутации напряжением питающей сети. При естественной коммутации необходимо введение угла упреждения У величиной не менее 20 зл.град., что приводит к значительным потерям мощности. Кроме того, при глубоком регулировании выходного напряжения значительно увеличивается коэффициент искажений - , что приводит к снижению коэффициента мощности преобразователл, Известное устройство не позволяет также осуществить режим зависимого инвертирования энергии в сеть, и поэтому имеет низкие энергетические показатели. Цель изобретений - повьппение энергетических показателей преобразовательной установки путем увеличения коэффициента мощности за счет введения секторного (двухстороннего фазового) регулирования выходного напряжерия и осуществления двухстороннего обмена энергией преобразователя с сетью. Поставленная цель достигается тем, что непосредственньй преобразователь частоты и числа фаз в режиме источника тока, содержащий две группы основных и две группы дополнительных тирис торов, каждая из которых выполнена в виде трех цепочек, состоящих из попарно-встречно-последователънр соединенных тиристоров, причем катоды цепочек первых групп основных и дополнительных тиристоров присоединены к выводам одной из вторичных обмоток однофазного трансформатора, а аноды цепочек вторых групп присоединены к выводам другой вторичной обмотки однофазного трансформатора, точки соединения анодов и точки соединения атодов первой и второй групп основных тиристоров попарно объединены между собой, образуя выходные вы воды преобразователя, точки соединения анодов и точки соединения катодов первой и второй групп дополни тельных тиристоров также соединены между собой попарно и через коммути рующие конденсаторы подключены к выходным выводам преобразователя, а также реактор, дополнительно снаб жен двухтактными устройствами прину дительной коммутации, однофазными диодньв и мостами, подсоединенными своими первичными цепями к выводам втсфичных обмоток однофазного трансформатора, а вторичными цепями - к первичным цепям двухтактных устройс принудительной коммутации, фильтровыми конденсаторами, подсоединенными к вторичным цепям однофазных диодных мостов, двумя парами встречно последовательно включенных реакторных тиристоров, аноды одной из которых присоединены к выводам одной из вторичных обмоток однофазного трансформатора, а катоды второй пары - к выводам другой вторичной обмотки однофазного трансформатора, причем реактор включен между общими точками соединения анодов и катодов этих пар, трехфазным мостом основных распределительных тиристоров подсоединенным . своими первичнымицепями к выходным вьгоодам преобразо вателя, а вторинньми цепями - к соответствующим вторичным цепям двухтактных устройств принудительной коммутации, реакторными распределительными тиристорами, которые одними анодом и подсоединены к Соответствующим вторичным цепям двухтактных устройств принудительной коммутации, а другими анодом и катодом - к соответствующим выводам реактора. Наличие в преобразователе устройств принудительной коммутации, однофазных диодных мостов, фильтровых конденсаторов, основных распределительных тиристоров, подсоединен ных указанным образом, позволяет. принудительно запирать в требуемый момент времени основные тиристоры первой и второй группы, регулируя и тервалы проводимости тирист орных мостов любыми известными способами, что позволяет получать более высоки значения коэффициента мощности в среднем на 5-8% за период пуска, че при естественной коммутации напряжением питающей сети. Кроме того, применяя комбинированные способы регулирования выходного напряжения с помощью принудительной коммутации основных тиристоров двух групп, можно получить в питающей сети импульсы тока, которые по форме ближе к полуволне синусоиды. Поэтому зависимость коэффициента мощности от выпрямленного напряжения получается более благоприятной. При естественной коммутации введение углов упреждения / величиной не менее 20 эл.град. приводит к значительным потерям мощности в главных тиристорах и вторичных обмотках трансформатора. При принудительной коммутации тиристоров эти потери значительно меньше. Наличие в преобразователе уст- ройств принудительной коммутации, а также двух пар встречно-последовательно включенных тиристоров, соединенных с выводом реактора, и реакторных распределительных тиристоров, подсоединенных указанным способом, позволяет осуществить принудительную коммутацию тиристоров, присоединенных к выводам сглаживающего реактора, а также изменять с помощью узлов принудительной коммутации порядок переключения главных тиристоров двух групп и порядок переключения тиристоров, соединенных с реактором, на противоположньй и переводить преобразователь частоты в режим зависимого инвертирования. Повышение коэффициента мощности до 0,95, улучшение формы тока питающей сети, снижение потерь мощности за счет применения принудительной коммутации, инвертирование энергии в сеть позволяет существенно улучшить энергетические показатели преобразовательной установки. На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого преобразователя; на фиг.2 - диаграммы выходного напряжения в режиме тяги и диаграмма управляющих импульсов основных Идополнительно введенных тиристоров, на фиг.З - эти же диаграммы.в режиме рекуперации энергии; на фиг.4 - пример выполнения двухтакт-, ного устройства принудительной коммутации; на фиг.5 - функциональная схема.блока .управления тиристорами преобразователя; на фиг.6 - диаграммы выходных сигналов регулятора частоты (РЧ), выходных сигналов фазосмещающего устройства (ФСУ), выходных сигналов формирователей импульсов (ФИ)J на фиг.7 - принцигш ьная электрическая схема одного ФМ и временная диаграмма импульсов, поясняющая его работу; на фиг,8 пример конструктивного вьтолнения формирователя коротких импульсой.

Преобразователь Сфиг.1) содержит однофазный трансформатор 1 с двумя вторичными обмотками 2 и 3} попарновстречно соединенные тиристоры 4, 5 и 6, 7, присоединенные анодами и катодами к обмоткам трансформатора 2 и 3, две группы дополнительных тиристоров 8-19, две группы основных тиристоров 20-25 и 26-31, каждая из которых состоит из трех цепочек попарно-последовательно-встрено соединенных тиристоров, например 8 и 9, 10 и 11, 12 и 13, и т.д. Катоды тиристоров 8, 9, 12, 13, 16, 17 и 20-25 присоединены к обмотке трансформатора 2, аноды тиристоров 10, 11, 14, 15, 18, 19 и 26-31 присоединены к обмотке трансформатора 3. Общие точки соединения основных тиристоров 20, 21, 26, 27 22, 23, 28, 29; 24, 25, 30, 31 объединены между собой и образуют выходные выводы преобразователя. Общие точки дополнительных тиристоров 8-19 также объединены между собой и через коммутирую1цие конденсаторы 32, 33 и 34 подключены к выходным выводам преобразователя . Первичные линии однофазных диодных мостов 3538, 39-42 присоединяются к обмоткам трансформатора 2 и 3. Фильтровые конденсаторы 43 и 44 присоединяются к вторичным цепям диодных мостов 35-38 и 39-42,. Преобразователь содержит также устройство принудительной коммутации 45 и 46, первичные цепи которьрс присоединены к вторичным цепям диодных мостов 35-38 и 39-42, распределительные реакторные тиристоры 47 и 48, подсоединенные анодом и катодом к тиристорам 4-5 и 6-7, трехфазный мост основных распределитр.льных тиристоров 49-54, перпичные цепи которого соединяются с выходными аы5юдами преобразователя, а вторичные цени с вторичными цепями устройств принудительной комм/тпи.ип -i 5 и 46,

нагрузку 55, присоединенную к выходным выводам преобразователя, и реактор 56, присоединенный к общим точкам соединения тиристоров 4,5

5 и.6,7. .

Пример выполнения двухтактного устройства принудительной коммутации УПК 45(46) с первичными цепями 57, 58 (59, 60) и вторичными цепями 61(62) показан на фиг.4. УПК содержит цепи, состоящие из последовательно включенных коммутирующих тиристоров 63 и 64, зарядных тиристоров 65 и 66, разрядных диодов 67

5 и 68, возвратных диодов 69 и 70, подсоединенных соответствующими выводами к пшнам источника питания 57, 58 и 59, 60. Коммутирующая LC-цепь 71 и 72 подсоединяется своими конца-:

ми к общим точкам соединения коммутирующих 63, 64 и зарядных тиристоров 65, 66. Двухтактное УПК содержит также трансформатор сброса 73, первичная обмотка которого 74 подключается к

5 общим точкам соединения зарядных

тиристоров 65, 66 и разрядных диодов 67, 68, а вторичная обмотка 75 - к общим точкам соединения разрядных диодов 67, 68 и возвратных диодов 69,

0 70.

УПК может быть использовано для коммутации тиристоров как регулируемого вьшрямителя так и инвертора.

5 Для этого первичные цепи УПК 58(60) подключаются к плюсу источника питания, а 57(59) - к минусу. Вторичные цепи 61(62) с помощью распределительных тиристоров подключаются к анодам

0 и катодам коммутируемьос тиристоров как выпрямителя, так и инвертора.

Работа непосредственного преобразователя частоты происходит следующим образом.

Работа регулятора напряжения при секторном регулировании выходного напряжения известна и заключается в переводе линейных тиристоров первой и второй групп в каждой зоне регулирования выходного напряжения из выпрямительного режима в режим нулевого вентиля путем принудительной коммутации линейных тиристоров этих . групп. Под режимом нулевого иоптиля 5 понимается режим, когда т)1 1исторы этих групп проводят ток, а ЭЛГ обмоток трансформатора рьтк.чючспл из цепи тока нагрузки.

Допустим, что в начальный момент времени ЭДС в обмотках 2 и 3 трансформатора 1 имеет направление, показанное стрелками, и включены тиристоры 5, 6, 23 и 26. При этом ток нагрузки протекает по цепи: реактор ЬЬ - тиристоры 6 и 26 - нагрузка 55 - тиристор 23 - тиристор 5 реактор 56.

Тиристорные мосты основных и реакторных тиристоров работают в режиме -нулевого вентиля,

В момент времени t (фиг.2) с помощью УПК 45 производят принудительную коммутацию реакторного тиристора 5 и включают тиристор 4, тем самым осуществляя ввод ЭДС обмотки трансформатора 2 в цепь тока нагрузки. Таким образом, зона регулирования выходного напряжения обмотки трансформатора 2 переводится из нулевого в выпрямительньй режим. Для запирания тиристора 5 включают распределительный тиристор 47 (фиг,1) и коммутирующий тиристор 63 (фиг,4). Ток ре актора 56 3 5ь вытесняется из запираемого тиристора 5 нарастающим колебательным импульсом тока I С-контура УПК 45 (фиг.4) и начинает протекать по цепи; реактор 56 - тиристоры 6 и 26 - нагрузка 55 - тиристор 23 диод 36 - УПК 45 -шина 61 - диод 4 7 реактор 56 (фиг,1). При этом в УПК ток протекает по цепи: вывод 58 УПК 45 - тиристор 1 - LC-контур - вывод 61 (фигЛ и,4). Избьдточный ток перезаряда конденсатора Lc-контура, протекая по цепи: L С-контур УПК 45 диод 5 - тиристор 1 - U С-контур создает на первичной обмотке 74 трансформатора 73 падение напряжения, положительный потенциал которого в узле 61 через распределительный тиристор 47 прикладывается к катоду, а отрицательньй - через диоды 5 (фиг.4) и 36 (фиг.1) - к аноду тиристора 5. Когда напряжение на вторичной обмотке 75 трансформатора 73 достигнет величины напряжения на фильтровом конденсаторе 43, откроется диод 70 и через нее потечет ток по цепи: обмотка 75 трансформатора 73 - диод 67 - вывод 58 - конденсатор 43 - вывод 57 - диод 70, - обмотка 75 (фиго4). Таким образом, на все время протекания избыточного тока коммутирующей ЬС-цепи через обмотку 74 на ней устанавливается напряжение прямоугольной формы с амплитудой, равной напряжению н;. конденсаторе 43, деленному на коэффициент трансформации трансформатора, и длительностью, определяемой параметрами LC-цепи. После перезаряда конденсатора он будет иметь полярност-ь, противоположную указанной на чертеже (фиг.1). Под действием этого напряжения запирается тиристор УПК и распределительный тиристор 47 и включается реакторный тиристор 4, и ток нагрузки замыкается по цепи: реактор 56 - тиристоры 6 и 26 - нагрузка 55 - тиристор 23 - обмотка 2 тиристор 4 - реактор 56.

В момент времени i производится принудительное запирание тиристора 6 и включение реакторного тиристора 7 Тем самым осуществляется ввод ЭДС обмотки трансформатора 3 в цепь тока нагрузки и зона регулирования выходного напряжения обмотки трансформатора 3 переводится из нулевого в выпрямительный режим. Для запирания тиристора 6 включают распределительный тиристор 48 и соответствующий коммутируюпщй тиристор УПК 46. Ток нагрузки протекает по цепи: реактор 56 - диод 48 - вывод 62 - 46 вывод 59 - диод 41 - тиристор 26 нагрузка 55 - тиристор 23 - обмотка 2 - тиристор 4 - реактор 56.

Тиристор 6 запирается обратньм напряжением, приложенным с первичной обмотки 11 трансформатора УПК 46. После завершения коммутации тирис,тор 7 откроется. Ток нагрузки замкнется по цепи: реактор 56 - тиристор 7 - обмотка 3 - тиристор 26 нагрузка 55 - тиристор 23 - обмотка 2 - тиристор 4 - реактор 56 .

В момент времени Ij ЭДС обмотка 3 выводится из цепи тока нагрузки и зона регулирования выходного напряжения обмотки 3 трансформатора переводится из выпрямительного режима в режим нулевого вентиля,, для чего принудительно запирается тиристор 26 и открывается тиристор 27. Процесс запирания тиристора 26 катодной группы основных тиристоров 26-31 аналогичен запиранию тиристоров 4 и 5 катодной группы реакторных тиристоров и описан выше. Аналогично в момент времени i производится вывод ЭДС обмотки 2 трансформатора из цепи тока нагрузки, для чего принудительно за9, пирает тиристор 23 и включают тиристор 22. Алгоритм включения тиристоров при работе преобразователя частоты в режиме записьшаемого инвертироваНИН сохраняется, но.при этом меняется на противоположный порядок переключения тиристоров в анодной и катодной группах основных тиристоров, в также в парах встречйо-последовательно включенных тиристоров подключенных к обмоткам реактора, После каждой коммутации тиристоров и вывода ЭДС обмоток трансформатора из цепи тока нагрузки энергия полей 1рассеяния вторичных обмоток трансформатора через диодные мосты 3538 и 39-42 передается в фильтровые конденсаторы 43 и 44, Вывод энергии накопленной в фильтровых конденсатоpax в нагрузку осуществляется с помощью узлов принудительной коммутации известными способами. Описанная работа хорошо прослеживается на диаграммах Лиг.2 и 3, где приняты обозначения: напряжения на обмотках 2,3;, 12,3 токи через эти о мотки; Uft,Ifi, 1)9,18, Uc,1с напряжения и токи соответствующих фаз нагрузки Блок управления тиристорами преобразователя (фиг.5) состоит из регулятора частоты (РЧ) 76, выход ко торот о соединяется с одним из входов распределителя ш 1лульсов (РИ) 77, фазосдвигающего устройства (ФСУ) 78 выход которого соединяется с входом формиройателя импульсов (ФИ) 79. Выход последнего соединяется с другим выходом РИ 77. На вход РЧ 76 поступает сигнал задания У выходной частоты. С выхода РИ 77 поступает шесть сигналов управленияUjpUjjUj-.UjUj(фиг.ба) . На вход ФСУ 78 подается сигнал задания 1) выходного напряжения. С выхода ФСУ 78 на вход ФИ 79 поступают две (по числу зон выходного напряжения) пары (на каждый полупериод) сигналов ,Il1 п ) ° гический нуль которых соответствует проводимости тиристорного моста в выпрямительном режиме (фиг,68) за пол.упериод питающего напряжения. В ФИ формируются сигналы управления тиристорами: Kjj, и инверсные сигналы Н, , 1 , Н„, К, (фиг.ба), которые поступают на РИ 77, сравниваются там с сигналами регулятора 76, затем усиливаются по 58 мощности и подаются на управляющие электроды тиристоров. Схематическое выполнение таких устройств как РЧ и ФСУ известно. Пример реализации одного ФИ показан начертеже фиг.7с(, там же (фиг.7В) приведены диаграммы, поясняющие работу устройства. Алгоритм управления тиристорами преобразователя реализуется с помощью логических ячеек И, ИЛИ, НЕ (в РИ). Алгоритм управления тиристорами 431 выражается в виде функций математической логикио В выпрямительном режиме работы (тяги) для реакторных тиристоров (индексом V обозначается сигнал управления тиристором, а цифрой номер этого тиристора) Ц К,; V5 KI Vfe к,; м кц Для основных тиристоров преобразователя первой и второй группы (-Uj; V2,HtA(-U); 4,R (-V), Vj,Hr(--u); V2,HiA(-U(.); V2,HtA(-Uc); (Uft ) ; -Vjy-HiiЧид ) ; Уад Н„«Ug ; V,c; HtAUa; V,,. В инверторном режиме работы (рекуперация) для реакторных .; , . Для основных тиристоров преобразователя первой и второй групп в инверторном режиме работы (-UA); V,.HJ A(-Uft ) ; (-Ug); „ -ид,., -л.. ч-ид /, v j-nj-n ч-ug V,,Hj л (-Ug) л (-U ) (-U); л (UA ) ; ид ; Ug , (ив); V HjjAU ; ,,. Включение соответствующих распределительных н коммутирующих тиристоров производится с помощью коротких (100. икс) импульсов управления, сформированных по задним фронтам импульсов упразленил, коммутируемьк тиристоров. На фиг.8 приведен пример йьтолнения такого формирователя коротких импульсов, содержащего логические ячейки НЕ, И-НЕ, сопротивление Р и емкость С, Короткие импульсы отмечены штрихом над обозначением исходного сигнала: (и|) - 100 мкс, импульс, сформированный по заднему фронту сигнала Hj и т.д. Тогда логические функции сигналов управления могут быть записаны в следующем виде: для распределительных реакторных тиристоров V4, 4ig (фигЛ) у(К)л (Kj); %б(К,,)л (К„) ;

для дополнительных тиристоров первой

и второй группы преобразователя

(фиг.1)

Vg(-UA) V,(-UA)4 HI; V,2

(-U,,)AHj; V,,(-Ue)4Hi;

V« (-Uc)AHi; V,O(UA)MIJ,; V,,

(и„)л Нц; V,4(U3) V,, (UB)M{:

TI TI . TI . IT .-/TI . M .

V,8(U,)Mi,,

ij 9(U) HIP ДЛЯ коммутирующих тиристоров УПК 45

(фиг.4), осуществляющего коммутацию тиристоров А, 5 и 20-25. V,(Kj)vCKj) ; V2 (HjVv(Hi) ; для коумутируюпщх тиристоров УПК 46 (см. фиг.4), осуществляющих коммутацию тиристоров 6,7 и 26-31, V, (Hi/v(Hir) ; V(K,j)V (К,) ; для основных распределительных тиристоров 49-54

V4, C(H3)N(Hi)l л(-ид); Vjo , р„) у ( AUft ; V5, t(H,y.v (Hj) K(-U0); V (H)-j(H,,)4 Mlg;

(Ht)4(HinK(-U6); V

t(Htiyv(H(i) .

Иредллгармын иегтог.рсдстпонный преобразователь по сравнетп ю с. преобразовате.чем электровоза BJiSOT имеет следующие показатели.

Предлагаемое

Базовый изобретение объект

0,93-0,95 0,75-0,) 0,85 0,8

Таким образом, преобразователь по изобретению имеет более высокий коэффициент мощности, а также дает возможность получить более высокий коэффициент полезного действия тягового электропривода

ДВУХЗОННЬГЛ НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ И ЧИСЛА ФАЗ В РЕЖИМЕ ИСТОЧНИКА ТОКА, содержащий две группы основных и две группы дополнительных тиристоров, каждая ,из которых вьшолнена в виде трех цепочек, состояишх из попарно-встречно-последовательно соединенных тиристоров, причем катоды цепочек первых групп основных и дополнительных тиристоров присоединены к выводам одной из вторичных обмоток однофазного трансформатора, а аноды цепочек вторых групп присоединены к выводам другой вторичной обмотки однофазного тран-, cфopмhтopa, точки соединения анодов и точки соединения катодов первой и второй групп основных тиристоров попарно объединены между собой, образуя выходные выводы преобразователя точки соединения атюдов и точки соединения катол.от) перпотЧ TI я трои групп дополнительных тиристоров также соединены между собой попарно и через коммутирующие конденсаторы подключены к выходным выводам преобразователя, а также реактор, отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетических показателей, он снабжен двухтактными устройствами принудительной коммутации, однофазными диодными мостами, подсоединенными своими первичными цепями к выводам вторичных обмоток однофазного трансформатора, а вторичными цепями к первичным цепям двухтактных устройств принудительной коммутации, фильтровыми конденсаторами, подсоединенными к вторичным цепям однофазных (Л диодных мостов, двумя парами встречс но-последовательно включенных реакторных тиристоров, аноды одной из которых присоединены к выводам одной из вторичных обмоток однофазного трансформатора, а катоды второй пары - к выводам другой вторичной обмотки однофазного трансформатора, САЭ СП причем реактор включен между общими точками соединения анодов и катодов этих пар, трехфазным мостом основных сд распределительных тиристоров, подсо00 единенным своими первичными цепями к выходным выводам преобразователяj а вторичными цепями - к соответствующим вторичным цепям двухтактных устройств принудительной коммутации, реакторными распредглительными тиристорами, которые одниьда анодом и катодом подсоединены к соответствующим вторичным цепям двухтактных устройств принудительной коммутации, а анодом и катодом - к соответствующим выллдам реактора.

Г

58(60) -0

rO

-П

45/4(V

.J

%

ftQms№ n

my

Ф08. в