Преобразователь формы напряжения Советский патент 1986 года по МПК H02M5/18 

Изобретение относится к преобразо нательной технике и может быть использовано в установках индукционного нагрева и электроприводе. Целью изобретения является максимальное приближение формы выходного напряжения к заданной. На фиг,1 приведена принципиальная электрическая схема преобразователя формы напряжения; на фиг.2 - графики двух периодических функций напряжения Ц (t) и Uj (t); на фиг.З - способы подключения нагрузки преобразователя на фиг.А - временные диаграммы напряжения и тока преобразователя и нагрузки с учетом коммутации тока нагрузки с одного тиристора на другой. Преобразователь содержит тиристоры 1 и2 (фиг.1) первого отвода 3 вторичной обмотки трансформатора 4, тиристоры 5 и б второго 7 и тиристоры 8 и 9 третьего 10 отводов трансформатора 4, реакторы 11 и 12, выходные вьшоды 13 преобразователя и блок 14 управления. На временных диаграммах (фиг.2) периодическая функция напряжения и (t) показана сплошной линией, а и(t) - штрихпунктирной линией. Первый график Uj (t) изображает периодическую функцию заданного спектра рабочих гармоник, полученную в результате сложения трех синусоидальных функций напряжения с частотами to,, , 7u) и амплитудами, возрастающими с увеличением частоты по линейном закону. и, (t) U,-sinvO t + U -sin4 0 t + + ,sin7co,t, где Un, - амплитуда напряжения .К-й. гармоники; - угловая частота основной гармоники; Ок угловая частота К-й гармо Второй график Uj(t) представляет периодическую функцию аппроксимации, полученную из полуволн синусоидальне го напряжения разного уровня амплитуд, которыми аппроксимируется функция U(t). При выборе уровней полу-, волн их число определяется из услови получения напряжения UjCt), в спектр которого основной вес имеют гармоник зацаипого спектра U, (t) . КоличесТво полуволн аппроксимации определяется формулой функции и(t). 1 22 На фиг.2 показаны также напряжения полуволн синусоид трех уровней, коммутируемые тиристорами 1, 2, 5, 6, 8 и 9, и временные диаграммы следовакия импульсов управления тиристорами и приняты следующие обозначения: Т - период заданной U (t) и аппроксимирующей и (t) функций, состоящий из 14 равных полупериоду синусоидального напряжения отрезков -време- положительные и отрицательные полуволны напряжения первого отвода 3 трансформатора 4, коммутируемые тиристорами 1 и 2, и напряжения их импульсов управления, подаваемые от блока 14 управления; , и , и, , - положительные и отрицательные полуволны напряжения второго отвода 7 трансформатора 4, коммутируемые тиристорами 5 и 6, и напряжения их импульсов управления, подаваемые от блока 14 управления , и - положи } та гд J Y8 уд тельные и отрицательные полуволны напряжения третьего отвода 10 трансфор-. матора 4, коммутируемые тиристорами 8 и. 9, и напряжения их импульсов управления, подаваемые от блока 14 управления . На ,фиг.4 приняты следующие обозначения: U(t) - напряжение аппроксимирующей функции, ) - напряжение, при котором через преобразователь течет ток нагрузки, U, (t) - напряжение на нагрузке (фиг.З) при разряде конденсатора и токе преобразователя i(t) 0; и„(t) - напряжение на нагрузке с учетом интервалов коммутации, U,:(t) - ток приемника энергии (фиг.З); ic(t) - ток череземкость нагрузки, i (t) - ток нагрузки преобразователя; Lj угол управления тиристором 8 (фиг,1); -Зт+ LJ - угол управления тиристором 2 (фиг.1); 5 - угол проводимости тиристора 8 (фиг.1); -11 + ,, - угол проводимости тиристора 2 (фиг.1). Устройство работает следующим образом. При подаче синусоидального напряжения на первичную обмотку трансформатора 4, на отводах 3, 7 л 10 вторичной обмотки появляется синусоидальное напряжение разного уровня. Это состояние схемы является исходным. Напряжение на выходнь е вьшоды 13 преобразователя не подается, так как все тиристоры 1, 2, 5, б, 8 и 9 закрыты. Формирование периодического несинусоидального напряжения U(t) начинается с поступления от блока управления напряжения импульса управления и к управляющему выводу тиристора 8 (фиг.1 и 2), последний открывается, и напряжение положительной полуволны U-rg появляется на выходе 13 преобразователя. Ток протекает по цепи: тиристор 8, выходные выводы 13 преобразователя, к которым подключена нагрузка, вторичная обмотка трансформатора 4, Длительность протекания тока определяется характером нагрузки. Преобразователь предназначен для работы с активной или активно-емкостной нагрузкой, при совпадающем или опережающем по фазе током по отношению к напряжению на выходе преобразователя ).

При активной нагрузке длительность протекания тока через преобразователь равна полупериоду синусоидального напряжения, а при активно-емкостной ток прекращается раньше, чем спадает до

Номер интервала t;

- ,1,--- ™«--..«-- .- - --- - -

Включаемый тиристор

За один период формирования несинусоидального напряжения U (t) проис-35 ходит 14 переключений тиристоров. В восьми случаях при переключениях меняются параметры силовой цепи преобразователя, так как меняется сопротивление вторичной обмотки трансфор- 40 матора 4. При этом заметными становятся постоянные изменения угла сдвига по фазе между током и напряжением, которые отрицательно влияют при при-нятом способе коммутации на заданный 45 гармонический состав рабочего напряжения выхода преобразователя.

Параметры при работе преобразователя для максимального приближения формы выходного напряжения к заданной50 должны примерно оставаться постоянными. Так как активное сопротивление трансформатора 4 значительна меньше индуктивного, то его влияние можно не учитывать. Для уменьщения диапазона 55 изменения параметров преобразователя между выходами попарно встречно включенных тиристоров 1, 2, 5, 6, 8 и 9

нуля мгновенное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора 4. Для подачи напряжения к потребителю по форме, близкой к заданной, необходимо, чтобы включение тиристоров . 1, 2, 5, 6, 8и9иих выключение происходило при значении напряжения, соответствующем току, близкому к току удержания тиристоров. Последнее дос- тигается за счет компенсации емкостным током реактивно индуктивного тока приемника энергии. Формирование напряжения Uj(с) на втором интервале начинается с приходом напряжения импульса управления на тиристор 2, который открывается при значешш напряжения на нем, превьппающем напряжение на конденсаторе (фиг.З и 4), и находится во включенном состоянии до момента, пока ток в цепи не спадет до нуля. Очередность включения тиристоров 1, 2, 5, 6, 9и8 при.формировании одного периода неспнусоидального периодического напряжения ) (фиг.2) приведена в табл. 1,

Т а б л и ц а 1

9 10 11 12 13 14

3456

1286

включены токоограничивающие реакторы 11 и 12, каждый из которых выбран с индуктивностью соответственно L и L, пропорциональной числу витков ui и LUj между соседними к нему отводами вторичной обмотки трансформатора 4, а отношение числа вит;ков соседних секций трансформатора, начиная с второй, равно отношению индуктивностей смежных с ними реакторов, т.е.

Wi

Ьг Из Wa

Такое подключение реакторов 11 и 12 обеспечивает работу преобразователя при формировании напряжения Uj (t) с минимальным лзменением пагчметров цепи тока нагр.тки. При кoм тaции напряжения первого отвода вторичной обмотки трансформатора 4, ; цепь тока. нагрузки включены последов;. ельно нндуктипности 1Д н Ъз соотвгствешю реакторов 11 и 12 и индукттйиость L.J первой секции трансформатол : числом

витков Wj, при этом индуктивность преобразователя равна

Ц Lt - г LjПри включении второго отвода 7 включены в работу первая и вторая с числом витков W; и индуктивносью LJ секции вторичной обмотки трансформатора 4 и последовательно с ними индуктивность L реактора 12, при этом индуктивность преобразователя равна

Ь„ L, + L, + Ц.

При включении напряжения, всей вторичной обмотки трансформатора включены в работу первая вторая и третья с числом витков Wj и индуктивностью LJ секции вторичной обмотки трансформатора 4, индуктивность преобразователя при этом равна

Ч L, + L, + LJ.

Для исключения больших искажений фор1- ы напряжения Uj (t) от заданной индуктивность первого реактора L выбирается меньше или равной индуктивности LJ второй секции трансформатора 4, а индуктивность второго реактора определяется из приведенного соотношения ,т

7 I - Т 2 Wj .

При таком выборе индуктивностей реакторов 11 и 12 параметры преобразователя изменяются значительно меньше, чем в известном устройстве, и, следовательно, меньше искажение напряжения UjCt). На форму напряжения и(t) оказывают влияние искажения, вызванные процессом коммутации ти ристоров 1, 2, 5, б, 8 и 9. Емкость С, включенная параллельно приемнику (фиг.З), вьтолняет две функции: обеспечивает опережающий напряжение ток и тем Самым запирание тиристоров 1, 2, 5, б, 8 и 9 в момент спадания тока тиристоров до нуля, а также во время коммутации тиристоров поддерживает за счет накопленной энергии электрического поля конденсатора С ток -приемника. Следовательно, коммутационных провалов напряжения на приемнике не может быть. Однако от выбора величины емкости конденсатора С (фиг.З) зависит длительность паузы закрытого состояния тиристоров 1, 2, 5, 6, 8 и 9. В течение этой паузы характер из- менения напряжения на нагрузке отличается от напряжения U(t) (фиг.4) и определяется параметрами цепи R, L, С разряда конденсатора и остаточным напряжением на конденсаторе С. На фиг.4 показан перевод тока нагрузки с тиристора 2 на тиристор 8 (фиг.1). До момента времени, соответствующего углу - Л + (фиг.4), ток нагрузки проводит тиристор 2. В момент прекращения тока преобразователя i(t) 0. Конденсатор оказывается заряженным до напряжения UQ (t) IS(t). С этого момента начинается процесс разряда конденсатора на цепь R, L, С, который продолжается до момента времени, соответствующего углу управления Lj. При этом угле управления напряжение на тиристоре 8 становится больше напряжения конденсатора. Тиристор 8 открывается, и через преобразователь вновь протекает ток нагрузки. Как следует из временных диаграмм (фиг.4) напряжение на нагрузке (приемнике) равно в периоды пропускания тока преобразователя U2 (t), а в период коммутации Ua,(t). Напряжение на нагрузке и (t) (приемника) равно их сумме

и„ (t) Uj(t) + u, (t).

Из анализа временных диаграмм следует, что чем ближе напряжение (t) по форме к синусоиде тем точнее кривая напряжения на нагрузке совпадает с напряжением U5,(t), Таким образом, величиной емкости С (фиг.З) можно практически свести интервал коммутат ции тиристоров к незначительной величине и исключить искажения напряжения Uj(t) (фиг.2) процессом, вызванным временем разряда конденсатора.

В табл. 2 приведено численное сравнение спектров заданной функции и(t) и аппроксимированной Uj(t) (фиг.2) до седьмойгармоники включительно. Номер гармоники123 Частота гармоники, С 44,88 89,76 134,64

Амплитуды гармоники

заданного спектра, В 59,8 О

Амплитуды гармоники аппр ок симир угощей

58,4 17 функции, В Из сравнения гармонического соста ва функций и (t) и Uj(t) следует, что амплитуды заданной и амплитуды тех же частот аппроксимирующей функции рабочих гармоник, полученной в предлагаемом устройстве, практически совпадают. Применение предлагаемого преобразователя в устройствах индуктивного нагрева позволит увеличить интенсивность нагрева заготовок, а в устройствах электропривода - увеличить вра щающий момент индукционных вращателей, что значительно повышает произ|водительность указанных устройств. . Формула изобретения Преобразователь формы напряжения, содержащий однофазный трансформатор, вторичная обмотка которого ыполнена секционированной, с числами витков

О

О

325

191

16,2 10,7 325

13,5 187 Таблица2 4567 179,42 224,4 269,28 314,16 первой секции И, второй третьей Ц, причем между первым концом обмотки, заканчивающейся секцией Wj, и ее отводами через встречно-параллельно соединенные тиристоры подключены реакторы с индуктивностями Ьд и Ц соответственно, а выходные выводы преобразователя образованы вторым концом обмотки, заканчивающейся секцией W,, и точкой соединения реактора с индуктивностью LJ , и пары тиристоров, противоположные злектроды которых подсоединены к указанному первому концу обмотки, а также блок управления тиристорами, отлич ающийс я тем, что, с целью максимального приближения формы выходного напряжения к заданной, индуктивности реакторов выбирают из соотношения Ui Ь1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в установках индукционного нагрева и электроприводе. Целью изобретения является максимальное приближение формы выходного напряжения к заданной. Преобразователь содержит трансформатор 4 с секционированной вторичной обмоткой, отводы 3, 7, 10 .которой соединены соответственно-с тиристорами (Т) 1, 2, 5, 6, 8, 9, Т 1, 2, 5, 6, 8, 9 соединены попарно встречно-параллельно. Между парами Т 1, 2 и Т 5, 6, а также Т 5, 6 и Т 8, 9 включены реакторы 11, 12 с индуктивностями соответственно Lj и . L. Секции обмотки между отводами 3, 7 и 7, 10 выполнены с числами витков U ,W J . Отношение чисел витков соседних секций обмотки равно отношению индуктивностей смежных с ними реакто§ ров, T.e.Wi/Ulj L. . Такое под(Л ключение реакторов 11, 12 обеспечивает работу преобразователя при формировании периодического несинусоидального напряжения с минимальным изменением параметров цепи тока нагрузки. 4 ил., 2 табл. ю О5 СЛ со 42 N9

/7pLfef1ff //f

О //eflsi/t/

l-C.-l

t:

I

/ pueff//i//f

1 3ffeflZf/i/

1 I

ЬЪ

иг.д