Преобразователь однофазного напряжения в регулируемое трехфазное Советский патент 1989 года по МПК H02M7/48 

1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропривода с питанием от источника однофазного напряжения (сети).

Цель изобретения - улучшение энергетических показателей преобразователя и одновременное расширение области его применения.

На фиг. 1 изображена электрическая схема полупроводникового коммутатора; на фиг. 2 - схема управления; на ... фиг. 3 и 4 - временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя при различных частотах выходного напряжения .

Преобразователь однофазного напряжения в регулируемое трехфазное по

фиг. 1 содержит полупроводниковый коммутатор с четьфьмя транзисторными ключами 1-4 переменного тока, которые соединены по мостовой схеме. К одной-диагонали моста подключено-однофазное напряжение питания. Управление ключами осуществляется от блока 5 управления. Одна фаза нагрузки, например 6, подключена к одной из

клемм напряжения питания, две другие фазы 7 и 8 подключены к второй диагонали моста.

Схема. 5 управления по фиг. 2 сосментов ИЛИ 41-45, при этом входы четырех элементов И-НЕ 33-36 соединены последовательно между собой по схеме замкнутого четырехугольника с четырьмя выводами от его вершин, три из которых образуют второй, третий и первый входы блока 31, а четвертый вывод связан с выходом элемента 32, три входа которого соединены с. входами блока 31, входы трех элементов 41-43 соединены между собой последовательно по схеме треугольника, вершины которого соединены с тремя входами блока

Изобретение относится к полупро- водниковой преобразовательной технике и может быть использовано в трехфазных электроприводах переменного тока с питанием от однофазной сети. Цель изобретения - повышение энергетических показателей преобразователя и расширение области его применения. Энергетические показатели повышаются за счет увеличения выходного напряжения при одновременном снижении уровня высших гармонических составляющих. Ток в активно-индуктивной нагрузке непрерывен во всем диапазоне регулирования напряжения и частоты, в случае активной нагрузки ток непрерывен при максимальных значениях выходного напряжения и частоты. Регулируемое трехфазное выходное напряжение формируется в предложенном преобразователе при различных видах нагрузки, включая как вращающиеся электрические машины переменного тока, так и статические нагрузки с различ- ньм характером сопротивления. Силовая часть преобразователя выполнена по мостовой схеме на четьфех транзисторных ключах переменного тока. В одну диагональ моста подключен однофазный источник питания (сеть), а в другую- две фазы нагрузки, при этом третья фаза соединена с одной из клемм источника питания; Схема управления преобразователем обеспечивает, регулирования выходного трехфазного напряжения и частоты, а также обеспечивает автоматическую силового каскада от аварийных режимов в случае появления ложных импульсов и помех. 4 ил. сл с 4 сл 1C сл

тоит из задатчика 9 входного сигнала, 15 31 , выходы трех элементов 41-43 сое- иНдикатора 10 полярности входногодинены с входами элемента И 38 и вхосигнала, первого блока фазового сдвига с тремя выходами 11, блока 12 формирования абсолютного значения выход14-16 сравнения, компаратора 17 входного сигнала, преобразователя 18 напряжение - частота, второго блока 19

дами элемента И-НЕ 37, выход элемента 38 соединен с первыми входами двух элементов И 39 и 40, вторые входы ко- ного сигнала, индикатора 13 полярное- 20 торых соединены с выходами двух эле- ти напряжения питания, трех блоковментов 35 и 36, выход элемента 37

соединен с первыми входами двух элементов ИЛИ 44 и 45, вторые входы которых соединены с выходами двух элефазового сдвига, блока 20 частотного 5 ентов 33 и 34, выходы с элементов 44 управления, содержащего четьфе эле-и 45, а также выходы с элементов 39

мента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 21-24, одини 40 образзшт четыре выхода блока 31

двухвходовый элемент И-НЕ 25, триформирования и защиты,

трехвходовых элемента И-НЕ 26-28, приБлок 5 управления включает в себя

этом входы трех элементов ЭКВИВАЛЕНТ- 30 также блок 46 гальванической развяз- НОСТЬ 22-24 соединены последовательно ки и усиления импульсов управления,

блоки связаны между собой таким образом, что входы индикатора 10 полярности входного сигнала и блока 12 35 формирования абсолютного значения вы- входного сигнала объединены между сомежду собой по схеме треугольника, вершины которого образуют второй, третий и четвертый входы блока 20 частотного регулирования, первьй вход которого образован первым входом элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 21, а пятый и шестой его входы образованы входами двухвходового э лемента И-НЕ 25, второй вход элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 21 соединен с вторым входом блока 20, выход элемента И-НЕ 25 соединен с первыми входами элементов И-НЕ 26-28, вторые входы которых подсоединены к

бой и подключены к задатчику 9 входного сигнала, выход индикатора 10 полярности входного сигнала подключен 40 к первому входу блока 30 распределения импульсов управления, выход блока 12 формирования абсолютного значения входного сигнала подключен к первым входам трех блоков 14-16 сравнения.

выходу элемента 21, третьи входы эле- 45 вторые входы которых соединены с выментов 26-28 соединены с выходами элементов 22-24, выходы элементов 26-28 образуют первый, второй и третий выходы блока частотного регулирования. В блок 5 управления входит блок 29 переключения режимов работы, бпсгк 30 распределения импульсов управления, блок 31 формирования и защиты, содержащей входной трехвходоводами блока II фазового сдвига, вход блока 11 соединен с входом индикатора 13 полярности напряжения питания и служит для подключения к источнику пе 50 ременного напряжения, выход индикатора 13 подключен к первому входу блока 20 частотного регулирования,, выходы трех блоков сравнения 14-16 подключе- , ны к первым трем входам блока 29 пере

вьй элемент И-НЕ 32, четыре двухвхо- 55 ключения режимов работы, выходы блодовых элемента И-НЕ 33-36, выходной трехвходовый элемент И--НЕ 37, трех- входовый элемент И 38, два двухвхо- доБЫХ элемента И 39 и 40 и пять элеков 14 и 16 сравнения подключены также к пятому и шестому входам блока 20 входы компаратора 17 входного сигнала и преобразователя 18 напряжение бой и подключены к задатчику 9 входного сигнала, выход индикатора 10 полярности входного сигнала подключен к первому входу блока 30 распределения импульсов управления, выход блока 12 формирования абсолютного значения входного сигнала подключен к первым входам трех блоков 14-16 сравнения.

водами блока II фазового сдвига, вход блока 11 соединен с входом индикатора 13 полярности напряжения питания и служит для подключения к источнику пе- 50 ременного напряжения, выход индикатора 13 подключен к первому входу блока 20 частотного регулирования,, выходы трех блоков сравнения 14-16 подключе- , ны к первым трем входам блока 29 переключения режимов работы, выходы блоков 14 и 16 сравнения подключены так, же к пятому и шестому входам блока 20, входы компаратора 17 входного сигнала и преобразователя 18 напряжение 51

частота объединены между собой и подключены к выходу блока 12 абсолютных значений входного сигнала, выход компаратора 17 входного сигнала подключен к четвертому входу блока 29 переключения режимов работы, выход преобразователя 18 напряжение - частота подключен к входу блока 19 фазового сдвига, три выхода которого подключе- ны к второму, третьему и четвертому входам блока 20 частотного регулирования, первый, второй и третий выходы блока 20 подключены к седьмому, пятому и шестому входам блока 29 пере- ключения режимов работы, первый выход которого подключен к третьему входу блока 31, второй и третий выходы блока 29 соединены с третьим и вторым входами блока 30 распределе- кия импульсов управления, выходы которого подключены к первому и второму входам блока 31, выходы блока 31 через блок 46 гальванической развязки и усиления импульсов управления подключены к управляющим входам транзисторных ключей 3, 1, 4 IJ 2.

Преобразователь однофазного напряжения в регулируемое трехфазное работает следующим образом.

При отсутствии входного сигнала на выходе индикатора 10 полярности и на выходе блока 12 формирования абсолютного значения входного сигнала формируется сигнал логическо- го нуля. На выходе компаратора 17 входного сигнала формируется сигнал логической единицы. При этом канал параметрического регулирования (регулирования напряжения при неизмен- ной выходной частоте) закрыт логическими ключами в блоке 29 переключения режимов работы, а канал регулирования частоты и напряжения открыт. На выходах блоков 14-16 сравнения полу- чают три напряжения с коэффициентом заполнения, равным единице. Напряжения с выходов блоков 14 и 16 сравнения поступают на пятый и шестой входы блока 20 частотного управления. Независимо от сигналов на остальных входах данного блока на трех его выходах будут сигналы логических единиц. Аналогичные сигналы будут на выходе блоков 29 и 30. После прохож- дения этих сигналов через блок 31 на выходах элементов ИЛИ 44 и 45 будут сигналы, равные 1, а на выходах элементов И 39 и 40 - сигналы О.

Эти сигналы обеспечивают включение ключей 1 и 3 и запирание ключей 2 и 4. При уменьшении входного сигнала до нуля фазы 6-8 нагрузки, отключаются от источника питания и замыкаются между собой накоротко, при этом напряжение на нагрузке равно нулю. В случае индуктивного характера нагрузки замыкание фаз накоротко обеспечивает плавное уменьшение тока нагрузки до нуля без возникновения перенапряжений .

При наличии входного сигнала положительной полярности, превышающего п своей величине пороговое напряжение блока 17 ( 0, фиг. 3), на выходе блока 10 формируется сигнал 1 а на выходе блока 17 - сигнал О. При .этом канал регулирования частоты закрьп- логическими ключами блока 29 переключения режимов работы, а канал параметрического регулирования открыт. В этом случае на первый вход блока 30 распределения импульсов управления постоянно поступает сигнал 1. На выходах блоков 14-16 формируются три прямоугольных напряжения, имеющих одинаковый коэф ициект запол нения и смещенных по фазе в соответсвии с опорными напрУЕжениями U,, , и,, соответственно на -Т/б, -Т/2 и м /б относительно напряжения питания. В результате работы блока 29 указанные прямоугольные напряжения появляются на его трех выходах, при

этом напряжение поступает на пер„ 11 ,, ,, выи вход блока 31, а 1 и а

второй и третий входы блока 30 распределения импульсов. При наличии сигнала 1 на первом входе блока 30 на его первом выходе будет напряжение, аналогичное U , а на втором - аналогичное , . В блоке 31 с помо- ш;ью элементов И-НЕ 32-36 формируются импульсы управления ключами переменного тока, которые при наличии разрешающих импульсов узла защиты проходят через элементы 44, 45, 39 и 40 и поступают через блок 46 гальванической развязки и усиления импульсов управления на управляющие входы соответствующих ключей 3, 1, 4 и 2. Работа ключей в соответствии с полученными импульсами управления обеспечивает формирование трехфазной системы выходных напряжений, значения которых регулируются путем широтно-импульсной модуляции однофазного напряжения питания.

Узел защиты,, состоящий из девяти элементов (37-45) защищает полупро- водниковый коммутатор от возникновения режимов сквозного короткого замыкания при появлении ложных сигналов управления. Если два из трех входных напряжений блока 31 оказьг- ваются одновременно равными О, то напряжение на выходе 37 равно 1, а на выходе 38 - О. В результате н выходе 39 и 40 будут сигналы О, а на выходе А4 и 45 - 1. Ключи 2 и 4 Заперты, а 1 и 3 включены, фазы нагрузки отключены от источника питания и замкнуты накоротко между собой

Выходное напряжение в фазах нагруки регулируется в диапазоне от нуля до максимального значения, приблизительно равного половине напряжения питания. В кривой вьрсодного напряжения при его максимальном значении отсутствуют интервалы шунтирования, при этом ток нагрузки независимо от ее характера будет всегда непрерывным. Малые дульса1 ш непрерывного тока нагрузки, приближающегося по своей форме к синусоидальному, обеспечи вает повьшение энергетических показателей преобразователя. 1 При изменении полярности входного сигнала на выходе индикатора 10 полярности входного сигнала формирует- ся сигнал О, который, поступая на первый вход блока 30, обеспечивает переключение каналов прохождения импульсов управления ключами полупроводникового коммутатора таким обра- зом, что импульсы, которые поступали на вход ключей 3 и 2, будут поступать на вход ключей 1 и 4 и наоборот Это, в свою очередь, изменяет порядо следования фаз выходного напряжения.

При уменьщении входного сигнала положительной полярности до значения меньшего порогового напряжения блока 17, на выходе блоков 10 и 17 фор- мируется сигнал 1. В этом случае канал параметрического регулирования заперт логическими ключами блока 29, а канал частотного регулирования открыт. На выходе преобразователя

18 напряжение - частота будет напряжение, частота которого пропорциональна абсолютному значению входного сигнала. На выходах блока 19 фазового сдвига имеются три прямоугольньж напряжения Uj , Ц, и U/ , смещенных по фазе друг относительно друга на угол 2 ii /3 (фиг. 4), которые поступают на второй, третий и етвер- тый входы блока 20 частотного регулирования, на первый вход которого поступает информация о знаке напряжения сети в виде напряжения U . На пятый и шестой входы блока 20 поступают прямоугольные напряжения U,. и и с заданным коэффициентом заполнения, ®пределяюш 1м значение выходного напряжения преобразователя.

С.помошью трех элементов ЭКВИВА- ЛЕНТНСХЗТЬ 22-24 формируются три прямоугольных напряжения U, 1124 по признаку одинаковой полярности модулирующих, напряжений блока 19. Напряжения , U и Uj, имеющие длительность в 1/6 периода модулируюших напряжений, определяют соответственно интервалы.работы трех пар ключей 1и4, 2и4, 2иЗ, формирующих выходное напряжение пониженной часто ты. Элемент ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 21 формирует напряжение U,, определяющее интервалы возможного включения указанных пар ключей, исходя из условия обязательного совпадения полярностей напряжения питания модулирующего напряжения . Элемент И-НЕ 25 формирует напряжение Ц, определяющее ширину импульсов выходного напряжения преобразователя, С целью снижения выходного напряжения при работе преобразователя в зоне пониженных частот, а также для снижения пульсаций мгновенного тока нагрузки использованы только два блока 14 и 16 сравнения. Выходы элементов 21 и 25 подаются на первые и вторые входы элементов И 26-28, на третьи входы которых поступают напряжения Ц, U,} и ходе элементов 26-28 формируются прямоугольные напряжения , U,g, которые после прохождения блоков 29 и 30 постуцают в блок 31. В блоке 31 с помощью элементов 32-36 формируются импульсы управления ключами 1-4 В результате работы ключей на выходе преобразователя формируется трехфазная система регулируемых по частоте и по действующему значению напряжений (фиг. 4). В случае появления ложных сигналов управления в преобразователе срабатывает автоматическая защита, отключающая нагрузку от напря914571

жения питания. При изменении полярности входного сигнала в блоке 30 происходит переключение каналов прохождения импульсов управления ключами, что обеспечивает изменение порядка следования фаз выходного напряжения.

Таким образом, изобретение позволяет преобразовать однофазное напря- ю жение в регулируемое трехфазное напряжение, характеризуемое повьшенным действующим значением при максимальном входном сигнале, а также улучшенным гармоническим составом, обеспечи- 15 ваюпщм снижение пульсаций тока нагрузки.

Формула изобретения

20

Преобразователь однофазного напряжения в регулируемое трехфазное, состоящий из полупроводникового коммутатора в виде четырех силовых транзисторных ключей переменного тока и 25 блока управления, содержащего задат- чик входного сигнала, индикатор полярности входного сигнала, два блока фазового сдвига с тремя выходами каждый, блок формирования абсолютно- 30 го значения входного сигнала, индикатор полярности напряжения питания, три блока сравнения, компаратор входного сигнала, преобразователь напря- жение - частота, блок частотного ре- 35 гулирования, блок переключения режимов работы, блок распределения импульсов управления, блок формирования и защиты, блок гальванической развязки и усиления импульсов управ- 40 ления, при этом входы индикатора полярности входного сигнала и блока формирования абсолютного значения входного сигнала объединены и соединены с выходом задатчика входного . 45 сигнала, выход индикатора полярности входного сигнала соединен с первым входом блока распределения импульсов управления, выход бдока формирования абсолютного значения входного сигна- 50 ла подключен к первым входам трех блоков сравнения, вторые входы которых соединены с выходами первого блока фазового сдвига, вход которого соединен с .входом индикатора полярно- 55 сти напряжения питания и служит для подключения к источнику переменного напряжения, выход индикатора полярности напряжения питания подключен

25

10

15 0

25 0 5 0 5 0 5

к первому входу блока частотного регулирования, выходы трех блоков сравнения подключены к первым трем входам блока переключения режимов работы, входы компаратора входного сигнала и преобразователя напряжение - частота объединены и соединены с выходом блока формирования абсолютных значений входного сигнала, выход компаратора входного сигнала подключен к четвертому входу блока переключения режимов работы, выход преобразователя напряжение - частота подключен к входу второго блока фазового сдвига, три выхода которого подключены к второму, третьему и четвертому входам блока частотного регулирования, пятьш вход этого блока подключен к выходу первого блока сравнения, три выхода блока частотного регулирования подключены к пятому, шестому и седьмому входам блока переключения режимов работы, пер- вьй выход которого подключен к третьему входу блока формирования и зашиты, второй и третий выходы блока перёющэчения режимов работы соединены с третьим и вторым входами блока распределения импульсов управления, выходы которого подключены к первому и второму входам блока формирования и защиты, содержащего трехвходовый элемент И-НЕ, выход блока формирования и защиты через блок гальванической развязки и усиления импульсов, пред-- назначен для подключения к управляющему входу одного транзисторного :ключа полупроводникового коммутатора, отличающийся тем,.что, с целью повьш1ения энергетических показателей преобразователя и одновременного расширения области его применения, полупроводниковый коммутатор выполнен по мостовой схеме, одна диагональ которой подключена к источнику однофазного напряжения питания, а к другой диагонали подключены две фазы нагрузки, третья фаза нагрузки подключена к одной из клемм напряжения питания, в блоке управления блок частотного регулирования снабжен шестым входом, соединенным с выходом третьего блока сравнения, блок частотного регулирования содержит четыре элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ, один двухвходовый элемент И-НЕ и три трехвходовых элемента И-НЕ, при этом входы второго, третьего и четвертого элементов ЭКВИ

ЛГtf/7gg

-ir-ir-If-11 Г-1Г-11-1Г-1Г-1Г-1Г-1 dTi

JL

JL

Л.

п IUft

ПЛ.

Л.

Л.

r-im r-ir-1|- Г-|Г-|Г-I

п г I

Un

Uf X

ИГЧ J4 |i

фиг.

Л.

Л.

Л.

|- Г-|Г-|Г-I

п IUft

.art

л

.fea.-J

U

5

4

ji f

(ij

h

II g

i Q

fff

N //