Непосредственный утроитель частоты Советский патент 1985 года по МПК H02M5/27 

1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания утроенной частоты, где требуется повышенное качество выходного и входного токов.

Известен вентильный непосредственный утроитель частоты, содержащий трехфазный управляемый вентильный мост и уравнительный дроссель, обмотка которого имеет центральный отвод, причем начало и конец обмотки уравнительного дросселя соединены соответственно с анодной и катодной точками трехфазного вентильного моста, центральный отвод обмотки соединен с одним зажимом однофазной нагрузки, а другой зажим нагрузки соединен с нулевой точкой сети СОНедостатком данного устройства является то, что оно может работать только в трех- и шестипульсном режимах. В результате этого в выходном токе появляется шестая гармоника, а в токе питания пятая и седьмая гармоники, что затрудняет сглаживание входного и выходного токов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является вентильный непосредственный утроитель частоты, содержащий трехфазный управляемый вентильньй мост и уравнительный дроссель, обмотка которого имеет центральный отвод, причем начало и конец обмотки уравнительного дросселя соединены соответственно к анодной и катодной точкам трехфазного вентильного моста, а центральньсй отвод обмотки соединен с одним зажимом однофазной нагрузки, и снабженш 2й двумя дополнительными трехфазными управляемыми вентильными мостами, входные зажимы которых присоединены к питающей сети, и односердечниковым индуктивным делителем тока, начало обмотки. которого соединено с соединенными между собой катодной и анодной точками одного дополнительного моста, конец обмотки соединен с катодной и анодной точками другого дополнительного моста, а с отводом обмотки индуктивного делителя тока соединен другой зажим однофазной нагрузки. Наиболее оптимальным отношением чисел витков секций обмотки делителя тока является Cos 45 : Cos 75° 2,73. В этом случае числа витков первой и второй

49356J

секций составляют соответственно 0,732 и 0,268 от. суммарного числа витков обмотки. Это отличие обеспечивает то, что вентильный непос, редственный утроитель частоты может работать в 12-импульсном режиме. В результате этого в токе питания отсутствуют гармоники ниже 11-й чем существенно уменьшается его искаO женность ,2.

Недостатками известного утроителя являются жесткая связь между напряжением питания и максимальным выходным напряжением, а также ограниченность диапазона регулирования выходного напряжения ниже линейного напряжения питания вследствие того, что односердечниковый делитель тока выполняет лишь функцию обеспе(j чения определенного соотношения токов в трех фазах, а не служит для согласования номинального напряжения нагрузки с напряжением питания.

Целью изобретения является расширение диапазона регулирования выходного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в непосредственном утроителе частоты, содержащем выполненный

- на полност-ыр управляемых ключах

трехфазный мост с включенным на выходе дросселем, обмотка которого имеет средний отвод, образующий первый выходной вывод для подключения нагрузки, односердечниковый индук тивный делитель тока, обмотка которого имеет промежуточный отвод, а также полностью управляемые ключи переменного тока с двусторонней проводимостью для подключения двух выводов обмотки к каждому из входных выводов упомянутого моста и блок управления, включающий в себя связанные между собой узел синхронизации с сетью, задакяций генератор, счетчик-делитель на двенадцать с выхо|дами х, Xj, Хз, X,, где х - выход младшего разряда и Х4 - выход высшего разряда, и дешифратор, четьфе входа которого связаны со счетчиком,

а восемнадцать его выходов Р -P,g с управляилдими входами ключей утроителя, второй выходной вывод для подключения нагрузки образован одним концом обмотки индуктивного

5 делителя тока, а другой ее конец и промежуточный отвод через полностью управляемые ключи переменного тока с двусторонней проводимостью подклю3

чены к каждому из входных выводов упомянутого моста, причем дешифратор выполнен реализующим на своих выходах следующие логические выражения:

г, - XjXjX i Pj XjRjX j

Pj зХзХ P ХзХзХ ;

Fy - XjXjX, r - X2XjX4,

FT X,PjVx,P3V P, X,P,VX,Pt-,

РЭ x,P, V x.Pji P,. x,,P, i

PI, X.P., P,,j X,,j .P -, P, x.P V Х,РЗ-, Р„ х,1%УХтР4 ; Р„ x.P.

Р„ X, .PS; Р X,P,.

Это от;1ичие обеспечивает то, что электромагнитная связь между двумя секциями обмотки делителя тока используется не только в целях обеспечения определенного соотношения токов в трех фазах, но и для повышения максимального выходного напряжения относительно напряжения питания. В результате этого делитель тока выполняет и функцию повьппающего согласующего автотрансформатора ,что позволяет регулировать выходное напряжение и вьше напряжения питания и тем самым расширить диапазон регулирования.

На фиг, 1 изображена принц1 пйальная схема предлагаемого непосредственного утроителя частоты на фиг, 2 - временная диаграмма напряжения питания ,одной фазы и тока нагрузки, а также таблица включенного состояния управляемых ключей; на фиг. 3 - блок-схема блока управления

Непосредственньй утроитель частоты (фиг. 1) содержит трехфазный мост, выполненный на полностью управляемых ключах 1-6, две группы из трех полностью управляемых ключей переменного тока с двусторонней проводимостью, образованных из встречно-параллельно включенньк пар полностью управляемых ключей 7-8, 9-10, 11-12 и 13-1А, 15-16, 17-18 соответственно, сглаживающий дроссель 19 и индуктивный делитель 20 тока. Начало 21 и конец 22 обмотки сглаж вающего дросселя 19 подключены к. анодной и катодной точкам трехфазного моста, вьтолненного на полностью управляемях ключах 1-6, а средний .отвод 23 обмотки образует первый выходной вывод для подключения нагрузки 24. Односердечникрвый.дели теяь 20 тока имеет обмотку с проме93564

жуточным отводом 25, причем один из вyx концов 26 и 27 (а именно конец 26) и промежуточный отвод 25 через полностью управляемые ключи J 7-8, 9-10, 11-12, 13-14, 15-16 и 17-18 подключены к входным выводам 28-30, а другой конец 27 обмотки образует второй выходной вывод для

подключения нагрузки 24. Q Блок управления (фиг. 3) содержит узел 31 синхронизации, задающий генератор 32, счетчик-делитель 33 и дешифратор 34.

Устройство работает следующим , образом.

В каждьй момент време:ни во включенном состоянии находятся три вентиля, подключенных к трем разным входным выводам 28-30 и к разным вентильным группам 1-6, 7-12 и 1318. При этом, когда в вентильной группе 13-18, подключенной к промежуточному отводу 25 обмотки делителя тока, включен вентиль в поло. жительном направлении фазных токов, то в вентильных группах 1-6 и 7-12 включены вентили в отрицательном направлении фазных токов и наоборот, причем за положительное направление фазных токов принято условное направление от источника питания к нагрузке. В результате этого к выводам 26 и 25 обмотки делителя тока подключается линейное напряжение между двумя фазами пита5 ния, а нагрузка 24 соединяется между третьей фазой питания и выводом 27 обмотки делителя тока.

Обозначая числа витков и напряжения обмотки делителя тока между

0 выводами 26, 25 и 27 соответственно через Wz€-2S . ZS-IT . W.j, и it-is Ujr-21 ге-гт .получаем

w -и

:.«1

2i-Z7 2S-Z5

2Ь- г7

откуда следует, что максимально возможное напряжение нагрузки превышает линейное напряжение питания.

Уменьшение высших гармоник в токах питания д, ig и ip достигается в результате действия делителя тока,

0 устанавливающегося между мгновенными значениями фазных токов соотношения, необходимые для.уменьшения высших гармоник. Для этого выводы 26, 25 и 27 делителя тока всегда подключаются к трем разным фазам, причем фаза с наибольшим током подключается к промежуточному отводу 25. В результате этого наибольший фазный ток распределяется на две составляющие в двух остальных фазах, обратно пропорциональные числам витков секций обмотки делителя тока. В целях исключения из тока питания высших гармоник ниже 11-и отношение чисел витков секций обмотки делителя тока следует выбрать равны Cos 45 : Cos 75°, что соответствует числу витков секций 0,732 и 0,268 от суммарного числа витков обмотки делителя тока, В интервапе работы, когда включены вентили 2, 11 и 14 один крайний вывод 26 обмотки делителя тока , соединен через вентиль 11 и зажим 30 с фазой С системы питания, промежуточный отвод 25 обмотки через вентиль 14 и зажим 28 - с фазой А, а другой крайний вывод 27 через наг рузку 2А, половину обмотки сглаживающего дросселя 19, вентиль 2, и зажим 29 - с фазой. В системы питания Пренебрегая падением напряжения на включенньк вентилях, в этом интервале напряжение на обмотке zt-is линейному напряжению питания , а напряжение нагрузочнсй ветви и равно напряжению Ue.2S + 2.-Z И и 15-27 и С учетом и g.jy VUA 2(-г и - ( получ ie-25 W ют для напряжения нагрузочной ветв ( - U(;A . С учетом оптимального отношения чи витков секций обмотки 0,732 : 0,26 «24,« Wi,.ti - 0,268 : 0,73 напряжение нагрузочной ветви в это интервале равно А -0-732 - 0,36биед - I)UCA; UM 2,73исд, Соответственно в зависимости от выбранного оптимального отношения чисел витков секций обмотки делител тока максимальное мгновенное значение напряжения нагрузочной ветви может равняться 1,23- или 3,34-кратному максимальному значению линейного напряжения питания. Если линейные напряжения и синусоидальные, то в рассматриваемом интервале и мгновенное напряжение нагрузочной ветви изменяется по отрезку синусоиды. Для получения 12-пульсного режима работы необходимо, чтобы напряжение нагрузочной ветви утроителя формировалось из одинаковых отрезков синусоид, сдвинутых между собой на 30°. Требуемые сдвинутые синусоидальные полувЬлны для формирования 12-пульсного режима можно получить выбором подходящих комбинаций включенных вентилей. Например, при включенном состоянии вентилей 3, 9 и 14 напряжение нагрузочной ветви (ii-ti 1-)1 % - JgA причем эта новая синусоида отстает от синусоиды, соответствующей предыдущему интервалу работы, на 30°, что и требовалось. Очередность замыка- ния вентилей 1-18, обеспечивая , 12-пульсный режим работы устройства (фиг. 1) и тем самым утроение частоты тока нагрузки, приведена на фиг. 2. Изменение величины тока нагрузки осуществляется сдвигом фазы замыкания заданных комбинаций вентилей, а тем самым и фазы тока питания относительно фазы напряжения питания. При этом регулирование возможно как с отртакяцим, так и с опережакидим током питания. Временные диаграммы напряжения питания Цд, тока питания i, тока нагрузки i и напряжения на делителе тока (фиг.2) соответствуют полностью сглаженному выходному току, равному амплитуде /, 60 тока 1д, и сдвигу фазы между напряжением и током питания. Сдвиг фаз во всех фазах одинаков, т.е. Яц f Ч .Временная диаграмма максимального тока нагрузки (фиг. 2) 1ц „ соответствует сдвигу фазы 4 О . Регулированию выходного тока от максимума др нуля соответствует изменение фазы f в пределах 0°-90°. При полностью сглаженном в каждом интервале токе

нагрузки форма тока питания во всем диапазоне регулирования остается неизменной. Соответственно не изменяется и спектральный состав тока питания, В результате того, что ток нагрузки жестко связан с током питания, его форма также не изменяется, причем этот ток имеет прямоугольную форму и утроенную частоту.

Блок управления, обеспечивающий требуемый алгоритм отпирания полностью управляемых ключей 1-18, работает следующим образом.

На входы узла 31 синхронизации подаются напряжение сети U и .выходное напряжение х высшего разряда счетчика-делителя 33. На входе задающего генератора 32 суммируются выходное напряжение узла синхронизации и сигнал управления Uy. В режиме синхронизации частота напряжения задающего генератора в 12 раз выше частоты напряжения сети U и между выходным сигналом х и напряжением и устанавливается такая разность фаз, что выходной сигнал узла синхронизации компенсирует влияние управляющего сигнала U. Счетчиком-делителем используется делитель по модулю на двенадцать (например, К155 ИЕ 4), который преобразует систему Из 12 последовательных временных интервалов с длительностью 30 эл.град. каждый в функции х, Xj, х,, х двоичной системы (код 1, 2, 4, -6, табл. 1).

Состояния выходов Р - P,j дешифратора 34 в интервалах времени HXI приведены в табл 2, составленнсй на основе очередности замыкания пол11493568 :

ностью управляемых вентилей 1-18 (фиг. 2, V О).

Если определить состояния выводов 1-18, дешифратора 34 через функтогда они реали 2 3

X

4

1

зуют следующие логические выражения

Pj

РЗ

р

X,

Х2 Xj Xj

4

Р.-

,: Р

23

- XjXj X,

p.

S.Pj VX.P,-,

PC

4 Р

2 3

x.P.Vx.Pj, P,e

, i р, 11 5c, P,V X, P ; P,

р

х,Р ,, ,, х,Р, vx,P, i ,-, Р„ . P,, x,P,Vx,P3i P, x,,P, i P,, x,P, , .

предлагаемый вентильный непосредственный утроитель частоты расширяет диапазон регулирования. Это достигается тем, что в схеме утрой- теля нагрузка подключается между центральным отводом обмотки сглажи- вакндего дросселя и одним крайним выводом обмотки делителя тока, причем второй крайний вьтод и промежуточный отвод обмотки делителя тока через полностью управляемые ключи с двусторонней проводимостью подключены к каждому из входных выводов основного вентильного моста. В результате этого делитель тока исполь зуется и в качестве согласующего повышакядего автотрансформатора что делает возможньм регулирование выходного напряжения не только ниже, но и выше напряжения питания. В зависимости от точки подключения нагрузки к выводам обмотки делителя тока максимальное выкодное напряжение можно выбрать равным 1,23- или 3,34-кратному линейному напряжению.

Таблица 1

1149356

10 Таблица 2

/I дС

ооо

8

/J

30

НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ УТРОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащий выполненный на полностью управляемых ключах трехфазный мост с включенным на выходе дросселем, обмотка которого имеет средний отвод, образующий первый выходной вывод для подключения нагрузки, односердечниковый индуктивный делитель тока, обмотка которого имеет промежуточный отвод, а также полностью управляемые ключи переменного тока с двусторонней проводимостью для подключения двух вьшодовобмотки к каждоь у из входных вьшодов упомянутого моста и блок управления, включающий в себя связанные между собой узел синхронизациис сетью задающий генератор, счетчик-делитель на двенадцать с выходами Ху, 2 .3 А 1 выход младшего разряда и Х4 - выход высшего разряда, и дешифратор, четыре входа которого связаны со счетчиком, а восемнадцать его выходов Р - Р, с управляющими входами ключей утроителя, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования выходного напряжения, второй выходной вывод для подключения нагрузки образован одним концом обмотки индуктивного делителя тока, другой ее конец и промежуточный отвод через полностью управляемые ключи перемен(/) ного тока с двусторонней проводис мостью подключены к каждому из входных выводов упомянутого моста, причем дешифратор выполнен реализующим на своих выходах следующие логические выражения: 4 X t X,-, Р, .Pi ХгХзХ t CO p. - XjXjX j CO XjXjX j PjXjjXjX i P, P Pg x,PsVx,Pt СЛ Pj x,P, V x,P,,; P,. x.,P,Vx,Pt o P,, , VX,PJ, .P,,, , P,-, P« X,PsVX, P, Х,Р,У-Х,РЗ; Р„ S., P,, iC,P, Р„ x,P, P, .Pj.

Фиг.1

Очереднос/г ь Sef mi /rei/ /-/(5

и.

I

Uu

31

0(ере нос/7 б 6e/ 777i//ret/ f-fff

Фиг. 2

РГ Р,

Фuг.J