Трехфазно- @ -фазный трансформаторно-полупроводниковый преобразователь частоты Советский патент 1987 года по МПК H02M7/515 H02M5/27 

матор 1 с двумя основными комплектами 2,3 вторичных трехфазных обмоток. Комплекты 2,3 подключены одними кон цами к входам двух основных трехфазных вентильных мостов 12, 13 с управляемыми ключами 17,18 на их выходах, с другого выхода основные комплекты 2, 3 соединены между собою разноименными по полярности вьшода- ми соседних фаз обмоток. Устройство снабжено двумя дополнительными комплектами 4,5 вторичных трехфазных обмоток и двумя дополнительными трехфазными вентильными мостами 14, 15 о- управляемыми ключами 16, 1 9 на их выходах. Вторичные трехфазные обмотки каждого дополнительного комплекта 4 (5) соединены с отпайками 6-8 (9-11) трехфазных обмоток основных комплектов 2 (З) разноимёнными

1

Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к преобразователям переменного напряжения одной частоты в напряжение другой частоты, и может быть использовано в автоматике для питания частотно-управляемых электроприводов, в автономных энергоустановках переменной частотой вращения вала привода генератора для получения стабильной частоты, а также для питания линейных двигателей или установок электромагнитного перемешива - ния жидких металлов.

Целью изобретения является улучшение качества вьпсодного напряжения и входного тока за счет уменьшения их коэффициента гармоник, а также пвышение надежности за счет уменьшения напряжения на его полупроводниковых элементах.

На фиг.1 приведена принципиальная схема преобразователя частоты (ПЧ) с трехфазным выходом (т-3); на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя; на фиг.З - векторные диаграммы, поясняющие процесс формирования выходного напряжения преобразователя, выполненного по фиг.1; на фиг.4 - в

50799

концами по схеме зигзаг. Другие концы трехфазных обмоток каждого из дополнительных комплектов 4 (5) под- ключены к входам одного из дополни- тельных вентильных мостов 14. (15). В одной из модификаций вторичные обмотки основных комплектов 2,3 соединены между собою пофазно, а в другой - по схейе, приведенной вьше. Для тиристориого варианта реализации имеет место схема с блоком принудительной коммутации и одним коммутирующим конденсатором. Устройство также содержит распределительные тиристоры и разделительные вентили. Блок управления включает в себя задающий генератор, двенадцатиканаль ный распределитель импульсов, логические узлы и узлы гальванической развязки и усиления,, 1 з.п. ф-лы,7 ил.

структурном виде модификация преобразователя; на фиг.5 - варианты выполнения блока принудительной ком - мутации тиристоров, установленных на выходе вентильных мостов в качестве управляемых ключей; на фиг. фиг.6 - пример выполнения блока управления преобразователем; на фиг.7 - временные диаграммы напряжений, поясняющие работу блока управления .

Преобразователь (фиг.) содержит трехфазньй трансформатор I с двумя основными 2,3 и двумя дополнительными 4,5 комплектами вторичных трехфазных обмоток, причем обмотки основных комплектов 2,3 выполнены с отпайками 6-11, которые соединены с соответствующими обмотками дополнительных комплектов 4 и 5 по схеме зигзаг, а соответствующие концы обмоток основных и дополнительных комплектов подключены к входам основных 12,13 и дополнительных 14,15 трехфазных; вентильных мостов на диодах, на выходах которых включены управляемые ключи 16-19.

Преобразователь содержит также три группы управляемых ключей 20-22

с двусторонней проводимостью, через

которые точки соединения разноименных концов обмоток основных комплек тов 2 и 3 связаны с выходными клеммами 23-25 преобразователя.

Число витков обмоток дополнительных комплектов 4 и 5 должно быть в -{З раз меньше числа витков обмоток основных комплектов 2 и 3, а отпайки 6-11 должны делить обмотки основных комплектов 2 и 3 на части, отношение меньшей к большей которых равно - -1, причем большая часть этих витков должна быть равна числу витков обмоток дополнительных комплектов 4 и 5.

При необходимости получения от преобразователя фазного напряжения нулевая точка в виде клеммы 26 мо- жет быть образована объединением точек соединения диодов каждой из дополнительно введенных пар, включенных на выходах трехфазных вентильных мостов 12-15.

Схема (фиг;1) может быть упрощена путем исключения одной из групп ключей, например группы управляемьк ключей 22. Третий выходной вывод ПЧ при этом образуется клеммой 26. Величина выходного напряжения (при тех же числах витков обмоток трансформатора и при том же питающем напряжении в этом случае снижается в - раз.

Алгоритмы переключения ключей преобразователя для двух его модификаций (фиг.1 и 4) поясняются фиг.2 и 3. Для удобства описания работы преобразователя управляемые ключи 16-19 и 20-22 обозначены также буквами с цифровыми индексами, характеризующими порядок их переключения - К1-К13. В результате переключения ключей К1 и КЗ на силовые входы ключей 20-22 групп подается одна иести- фазная система напряжений а,а,в,в, с,с, а в результате переключения ключей К2,К4 - другая шестифазная система напряжений са,ас,св,вс,ав, ва, сдвинутая относительно первой на угол ТГ/6 (фиг.З). Попеременное подключение к выходным клеммам 23- 25 с помощью ключей К1-К4 и K5-KI3 напряжений из этих двух шестифазных систем позволяет сформировать трех- фазное выходное напряжение с эквивалентной фазностью 12. На временных (фиг.2а) и векторных (фиг.З) диаграммах фазы эквивалентной 12фазной системы напряжений, из которой формируются выходные напряжения для упрощения обозначены цифра- ми , На фиг.2а показано формирование лишь одного выходного фазного напряжения U (между клеммами 23 и 26).

Алгоритмы переключения ключей

К5-К13 на (фиг,2в) соответствуют первой модификации ПЧ (фиг.1), а на фиг.2г - второй его модификации (фиг.Д). ПЧ (фиг.4). отличается иным соединением обмоток основных комплектов 2 и 3: обмотки соединены разноименными концами пофазно, а не по схеме зигзаг. Число переключений ключей К5-К13 во второй модификации вдвое меньше, чем в первой. Это

достигается увеличением напряжения на ключах К1, КЗ в - раз. Алго-, ритм переключения ключей К1-К4 (фиг.26) является общим для двух модификаций ПЧ.

Частота основной гармоники выходного напряжения равна

f, /f. - fJ .

где f, - частота напряжения сети

(т, - период); f - частота модуляции (Т„ ее период);

а частоты высших гармоник в нем оп- ределяются выражением

f, ± (12 КТ 1) f..

Учитывая, что к ключам К1-К4 прикладьшается существенно большее

напряжение, чем к ключам К5-К13, в ряде случаев применения может оказаться целесообразным реализовать их на тиристорах. С учетом этого (фиг.5) приведены примеры реализации

этих ключей, различающиеся между собой вьтолнением блоков 27-30 принудительной коммутации тиристоров.

Блок принудительной коммутации (БК) содержит (фиг.5а) обмотки 3134 индуктивности, выполненные на. общем магнитопроводе 35,а также коммутирующие конденсаторы 36-39.

Эта наиболее простая схема БК (фиг.5а,в) обеспечивает самокоммутацию тиристоров: включение очередного тиристора автоматически влечет за собой запирание ранее открытого тиристора.

5

На фиг,56 показан БК с уменьшенным числом коммутирующих конденсаторов 40 до одного. Это достигается введением распределительных тиристоров 41-44 и разделительных вентилей 45-48. Для запирания требуемого тиристора отпирают соответствующий распределительньш тиристор. Для повьшения частотных свойств БК его коммутирующий конденсатор 40 шунтирован двумя цепочками из последовательно соединенных перезарядных тиристоров 49 и 50 и перезарядных обмоток 51 и 52 индуктивноетей, ко- тлрые могут вьшолняться на отдельном магнитопроводе или магнитосвя- занными с обмотками 31-34 индуктив- ностей (фиг.5б).

БК работает следующим образом (фиг.56).

Пусть коммутирующий конденсатор 40 заряжен с полярностью, показанной без скобок. Для запирания, например тиристора блока 27 принудительной коммутации отпирают распределительный тиристор 41. Через его разделительный вентиль 45 к запираемому тиристору блока 27 прикладьшают обратное напряжение. По истечении времени, необходимого для запирания .тиристора блока 27, отпирают перезарядный тиристор 49 и коммутирующий конденсатор 40 форсированно перезаряжается через тиристор 49 и перезарядную обмотку 51 индуктивности до напряжения обратной полярности, показанной в скобках. Если схема БК по фиг.5а безразлична к порядку включения тиристоров блоков 27-30, то для схемы БК на фиг.56 этот порадок имеет принципиальное значение. Так, при четырех трехфазных вентильных мостах 12-15 фиг.56 в момент отпирания распределительного тиристора 41 должен включаться или тиристор блока 28 дополнительного вентильного моста 15, или тиристор блока 30 моста 1. Далее процессы запирания тиристоров осуществляют аналогичным образом.

Распределительные тиристоры 41- 44 запираются естественньи путем ж. после спадания до нуля протекающего через них перезарядного тока. В описанном БК каждый перезаряд конден сатора используется полезно, т.е. для запирания тиристоров блоков 27-30 принудительной коммутации.

507996

БК на фиг.5в помимо обмоток 31- 34 индуктивноетей (фиг.5а) содержит восемь коммутирующих конденсаторов 53-60. В отличие от схемы БК по 5

фиг.5а в данном БК магнитная связь

между обмотками 31-34 не является принцип.иально необходимой. БК обеспечивает самокоммутацию тиристоров

10 блоков 27-30.

БК по фиг. 5г так: же, как и БК по фиг.56, содержит распределительные тиристоры 41-44 и разделительные вентили 45-48. Однако организо15 ваны они по иному: аноды распределительных тиристоров объединены клеммой 61, катоды разделительных вентилей - клеммой 62.а между этими-клеммами включен источник запирающего

20 напряжения, три возможных варианта которого (1,11,111) приведены на фиг.5г. Этот вариант БК безразличен к порядку включения тиристоров блоков 27-30. Источник запирающего нап25 ряжения в варианте I выполнен в виде моста на тиристорах 63-66 с коммутирующим конденсатором 67 в диагонали переменного тока и с форсирующей перезарядной цепочкой,

30 состоящей из обмотки 68 индуктивное ти и тиристора 69, Диагонально расположенные тиристоры 63, 64 и 65, 66 включают попеременно в зависимости от знака-напряжения на конденсаторе

2.- 67, а тиристор 69 - после выдержки времени, необходимого для восстановления запирающих свойств запираемого тиристора.

Источник запирающего напряжения в

40 варианте II содержит коммутирующий конденсатор 67 и перезарядно-форсирующую цепочку из обмотки 68 индук- тивности и двух тиристоров 69 и 70, В этом варианте полезно использует45 ся заряд конденсатора лищь с полярностью напряжения, показанной без скобок. Тиристор 69 выполняет функции форсировки, а тиристор 70 используют для восстановления на конден50 саторе 67 напряжения необходимой полярности для запирания тиристоров блоков 27-30.

Для повьшения частотных свойств источника запирающего на:пряжения

55 такого типа может быть использован вариант Ш.Он отличаете тем, что вместо одного используется несколько коммутирующих ко1щенсаторов, од- Hai из обкладок каждого из которых

1350799

подключена к одной из клемм 61 и пн 62 через встречно-параллельно вклю- тиристор и диод, например 71 и 72 - для одной такой ветви с конденсатором 67. Для запирания одного из блоков 27-30 тиристоров включают соответствующий распределительный тиристор 41-44 и тиристор (например,71) соответствующей вет- ig ви с коммутирующим конденсатором. Управление форсирующими и перезарядными тиристорами (например, 69 и 70) осуществляют аналогично источнику запирающего напряжения в варианте I. Коммутирующие конденсаторы ветвей подключают попеременно в очередной последовательности, благодаря - чему рабочая частота конденсаторов снижается обратно пропорционально числу ветвей.

Блок управления преобразователем (фиг.6) содержит задающий генератор 73, 12-канальный распределитель 74 импульсов, первый логический узел 75, содержащий четыре логических элемента 3 ИЖ 76-79, второй логический узел ВО, содержащий три логических элемента 4 ИЛИ 81-83, а также узел 84 гальванической развязки и усиления управляющих сигналов.

Для описания связей между распределителем 74 импульсов и узлами 75 и 80 воспользуемся языком Булевой алгебры. Обозначим выходные Импульсы каналов распределителя 74 символами a,b,c,d,e,,f,g,h,k,l,n,p (фиг.6 и 7).

Первый логический узел 75 обеспе- чивает формирование импульсов для управления ключами К1-К4 ПЧ (в обоих его модификациях на фиг.1 и 4). Снимаемые с выхода логических элементов 76-79 импульсы описьша- ются следующими логическими выражениями (фиг.7б):

30

35

40

ми им

15 К5 ни на ле

2Q пу ни мо к на

25 К6

ни пе мо ны ко об во же же ту ни

зо ки од ме зо

45 ис на на эл во

l,.

77

a + e + k; b + f + 1;

78

С +

79

+ n; + p

d+ h

Второй логический узел 80 обеспечивает формирование импульсов для управления ключами m групп ПЧ. Сигналы на выходе логических элементов 81-83 определяются следующими логическими выражениями (фиг.6а,б):

для ПЧ по фиг.1,

для ПЧ по фиг.4.

На уровне логических узлов формируют лишь три последовательности импульсов для управления ключами

К5-К13, а необходимое их тиражирование осуществляют в узле 84 (фиг.7), Регулирование величины входного напряжения в ПЧ может быть осуществлено известными способами, например

путем введения пауз между переключениями ключей К5-К13 и замыкания в момент пауз ключей, подсоединенных к одному и тому же входному вьшоду, например, ключей К5,К9, К13 (или

К6,К10,К11, или К7, К8, К12).

Преобразователь благодаря введению в него двух дополнительных групп переключателей (на основе диодных мостов с ключами) и двух дополнительных комплектов обмоток (с числом витков, в YJ раз меньшим числа витков обмоток основных комплектов позволяет вдвое уменьшить величину иска- жений входного тока выходного напряжения и значительно уменьшить ампли туду и повысить частоту высших гармоник.

Преобразователь может быть реализован на основе транзисторно-диодной (для мощностей до ед1шиц и десятков киловольт-ампер) или тиристорно-ди- одной (для больших мощностей) элементных баз. Может эффективно использоваться и комбинированный вариант

исполнения: высоковольтная часть ПЧ на тиристорно-диодной, а низковольтная часть - на транзисторно-диодной элементной базе. Преобразователь позволяет повысить выходной коэффидиент мощности, снизить потери в нагрузке и относительные потери на коммутацию тиристоров, расширить диапазон выходных частот.

55

Формула изобретения

1.Трехфазно-т-фазный трансформа- торно-полупроводНИКОВый преобразователь частоты, содержащий трехфазный

9

трансформатор с двумя основными комплектами вторичных трехфазных обмоток, которые одними своими разноименными по полярности концами подключены к входам основных трехфазных вентильных мостов с цепочками из последовательно включенных обмоток индуктивности и тиристора мостов на выходе, а другими разноименными концами соединены между собой и подключены через m групп управляемых ключей с двухсторонней проводимостью к его выходным клеммам, а также блок коммутации, выполненный в виде коммутирующего конденсатора g обкладки которого зашунтиро ваны перезарядной цепочкой и через два разделительных вентиля и два распределительных тиристора подключены соответственно к анодам и катодам тиристоров мостов, а блок управления выполнен в виде связанных между собой задающего генератора, распределителя импульсов и узла гальванической развязки и усиления, о т л и- чающийся тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения и входного тока за счет уменьшения их коэффициента гармоник, он снабжен двумя дополнительными комп- ..лектами вторичных трехфазных обмоток и двумя дополнительными трехфаз- ньми вентильными мостамиэ вьшолнен- ными идентично основньм, npi-етем к входам этих мостов одними разноименными по. полярности вьгоодами подключены обмотки соответственно первого и второго дополнительных комплектов, вторичные трехфазные обмотки двух основных комплектов снабжены отпайками, которые соединены с другими

10

15

50799 °

соответствующими по полярности концами обмоток дополнительных комплектов по схеме зигзаг, блок коммутации снабжен двумя дополнительньп и разделительными венти.пями и двумя дополнительными распределительными тиристорами, через которые обкладки коммутирующего конденсатора подключены соответственно к анодам и катодам тиристоров двух дополнительньпс мостов, распределитель импульсов выполнен 12-канальным5 а его выходы связаны с входами узла гальванической развязки и усиления через четыре логических элемента 3 ИЛИ и три логических элемента 4 ИЛИ, входы каждого из четырех логических элементов 3 ИЛИ подключены к i-му,

2Q (1-ь4)-у5 (i+8)-y выходам распределителя, где i 152,3,4 соответственно, для первого, второго, третьего и четвертого этих логических элементов, причем выходы последних связаны

25 с соответствующими зт1равляемыми ключами, установленными на выходе вентильных мостов.

2, Преобразователь частоты по . п.1, отличающийся тем,

30 что э с целью повышения надежности за счет уменьшения напряжений на его полупроводниковых элементах, разно- и1- енные концы двух основных комплектов вторичных трехфазных обмоток соединены между собой разноименными фазами, а входы каждого из трех логических элементов 4 ИЛИ подключены к j-My, ()-My, (j+5)-My,(j+7)-My выходам распределителя, где j 1,452 соответственно для первого, второго и третьего этих логических элементов,

35

40

S)

ап8

(9) с

«-№Ф

J

О

ffff ., ffff ,.ffff ,,ffil

«H t fe ::Sjt

ffff

зг

I SA-LCS

() 6

Kk

х

f tJ2,ffc

iM

-rtf-1-irftf

ГМЖМг

p -- - -- -rf-- - -- -- c --- I /S fy 2S/;rg 7g I

I « /ff tf/A H-i I

i/HM}f.

f M f

Составитель Н.Дьякова Редактор И.Николайчук Техред И.Попович

Заказ 5295/55Тираж 659Подписное

БНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открьп ий 113035s Москва, Ж-35, Раушская наб,;, д.

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород ул. Проектная, 4

Корректор С Шекмар

Изобретение относится к области преобразовательной техники, а именно к преобразователям переменного напряжения одной частоты в напряже K } J6 . .r/ /4 - -г± :: :::ЙЬпЙ: ZiLiiEtnEr -Of-t-W-Ы-т-снL-tt-r-bH ; ,,pnnrx I ejuTWX 20 23 fuz.l e , ../му iiyw/1 jiKtAj iioaij IJ lEltlJ 25 ние другой, и может быть использовано в автоматике для питания частотно-управляемых электроприводов, в автономных энергоустановках с переменной частотой вращения вала привода генератора для получения стабильной частоты, а также для питания линейных двигателей или установок электромагнитного перемешивания жчд ких металлов. Цель изобретения улучшение качества выходного напряжения и входного тока за счет уменьшения их коэффициента гармоник, а также повьшение надежности за счет уменьшения напряжения на его полупроводниковых элементах. Преобразователь содержит трехфазный трансферf/f,/3 //rj fff § (Л fS 26