Преобразователь частоты Советский патент 1989 года по МПК H02M5/458 

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах автоматики и электропривода

Цель изобретения - расширение частотного диапазона и улучшение спек- трального состава выходного напряжения .

На фиг. 1 приведен пример выполнения преобразователя с трехфазным выходом () при числе каналов в каждой фазе на фиг. 2 показаны временные диаграммы, иллюстрирующие принцип уменьшения влияния пульсаций выпрямленного напряжения на выходное напряжение преобразователя по фиг.1; на фиг. 3 - возможная модификация трехканального () преобразователя с трансформаторным однофазным выходом (а) и блок-схема системы его управления (б); на фиг„ 4 - временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя по фиг. 1 и 3; на фиг.5- принципиальная блок-схема системы управления преобразователем по фиг.1 (с ); на фиг. 6 - силовая часть предложенного преобразователя, вторая модификация; на фиг. 7 - то же, третья модификация.

Преобразователь частоты (фиг. 1) содержит три трехфазных преобразующих канала 1.1-1.3, каждый i-й канал которого (где ,3) выполнен в виде последовательно соединенных вторичной обмотки 2.1 (2.1-1.3), мостового выпрямителя 3,1 (3.1-3.3) с конденса- тором 4.1 (4.1-4.3) на выходе и трех однофазных мостовых инверторов 5.1 (5.1-5,3), 6.1 (6.1-6.3), 7.1 (7.1- 7,3). Одни одноименные по полярности выходные выводы инверторов фазной группы,например 5.1-5.3, формирующей напряжение одной фазы, объединены между собой и с аналогичными точками объединения выходных выводов инверторов других фа в нулевую точку О

5

5 5

0

5

0

0

преобразователя. Другие выходные выводы инверторов каждой фазной группы через обмотки, расположенные на п (в данном примере на трех) стержнях замкнутых магнитопроводов 8-10, подключены к соответствующему j-му выходному выводу А, В, С преобразователя. Вторичные обмотки 2.1-2.3 могут быть расположены на общем магните- проводе или на разных, как показано на фиг. 1, магнитопроводах. В последнем случае магнитопроводы трех трансформаторов и их первичные обмотки (по схеме соединения и по числу витков) выполняют идентичными. Инверторы каждой фазной группы, например 5.1-5.3, выполнены по мостовой схеме на транзисторах 11.1-14.1. Для уменьшения влияния пульсаций выпрямленного напряжения на выходное напряжение преобразователя дополнительные вторичные обмотки 2.2, 2.3 выполнены так, что их одноименные по фазному индексу 1 (результирующие) напряжения по- следоват ельно сдвшгуты по фазе на

2Т 2К V угол -- Б межДУ собой и ото П о О j

носительно напряжения основной вторичной обмотки. Необходимый фазовый сдвиг в общем случае может быть обеспечен на основе использования двух комплектов вторичных обмоток 17.1, 18.1 (в каждом дополнительном канале) с числами витков Wtr& и WJIg, соединенных гюсхеме зигзаг (фиг. 1), где ,(п-1) - номер дополнительной обмотки (в примере на фиг. 1 , a 2). Числа витков и WttE двух комплектов 1-й дополнительной обмотки в долях от числа витков Ктц основной вторичной обмотки 201 выбирают соответственно из соотношений;

12

W«t 2 . Г, ПЧ IT I Wm 2«Е sin (n-1) - и -- Wn jrr L3nJ Wn

il)

2 . . ff

1Г1п15п

В конкретном случае на Лиг. 1 числа витков W , WIt( обмоток 17.1, 18. и числа витков Vjm Wyj обмоток 17,2, 18.2 соответственно равны:

sin

|,«

2V 9

к- W

It

S w,

«

а 2и

wn, Sln 43/2V

т,1 2 21Г Г V sin r.WH

l i С учетом того, что Wtl(Wtl, и Wllt

WIt(, согласно (2) требуемой последовательный фазовый сдвиг jj между

аналогичными фазными напряжениями трех вторичных обмоток может быть обеспечен иначе - за счет использования иного соединения комплектов второй дополнительной обмотки 2.3, а именно по схеме обратный зигзаг, как показано на фиг. 1, при этом достаточно лишь выполнить условия WnXlt и ,.

Благодаря описанному выше выполнению обмоток 2.1-2.3, питающих выпрямители 3,1-3.3, и суммированию их на соответствующем этапе преобразования (после инвертирования) результирующую пульсность 5(г) в выходном напряжении преобразователя по сравнению с пульсностью S(,j выпрямленного напряжения одного канала можно увеличить в п раз (с соответствующим уменьшением величины пульсаций). В примере на фиг. 1 и 2 S/l3 (,) 3 18.

Суммирование выходных напряжений инверторов фазных групп может быть осуществлено двумя путями: либо последовательным (при реализации высоковольтного выхода), либо параллельным (при реализации сильноточного выхода) соединением выходов инверторов (каналов).Если в последнем случае суммирование осуществляется на основе использования так называемого фильтра-трансформатора (ФТ), то форма выходного напряжения независимо от вида суммирования остается одной и той же.

Блок управления (фиг. Зб) содер- жит последовательно соединенные за- датчик 18 тактовой частоты, трехраз- пядный регистр 19 сдвига-и трехка0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

нальный управляемый модулятор 20 ширины импульсов, выполненный, например, в виде трех формирователей развертывающего напряжения (ФРН) 21,1-21.3 и трех компараторов 22.1- 22.3 с выходными сигналами К;. На управляющие входы компараторов подают сигнал F от задатчика 23 эталонного напряжения (ЗЭН), который в .астном случае может быть синхронизирован от блока 8 (возможная связь показана пунктиром). Для фиксации моментов изменения полярности сигнала F исполь- зуют преобразователь 24 формы сигнала () с парафазным выходом Ф и ф, реализующий функцию F (фиг. 5).

Сигналы Ф и ф с его выходов через усилительно-развязывающий узел поступают на управляющие входы транзисторов 11.г, 12.1 одного полумоста каждого 1-го инвертора 5.1. На управляющие входы двух транзисторов 13,1, 14.1 другого полумоста 1-го инвертора подают соответственно сигналы ViiJ Vi4i c соответствующего логического узла (ЛУ;) 25.1. На входы логических узлов подают сигналь: с преобразователя 24 формы и с компараторов 22.1, Логические узлы реализуют функцию Г2)

р. фК;+ФК;

и выполнены (в конкретном примере) в виде двух двухвходовых логических элементов 2И 26.1, 27.1, первого логического элемента НЕ 28.1, двухвхо- дового логического элемента 2ИЛИ 29.1 и второго логического элемента НЕ 30.1 (индекс п - это номер канала).

Блок управления (БУ) для преобразователя с трехфазным выходом строится на основе БУ с однофазным выходом с той лишь особенностью, что вместо узла ЗЭН 23 с однофазным выходом устанавливается узел 31 с трехфазным выходом (фиг. 5), так что в качестве задающего выступает уже не один сигнал F, а три сдвинутых между собой последовательно по фазе на угол

л/ч,

-- сигнала FA, FB, Fc. Узлы 18, 19,

21.1-21.3 не требуюттиражирования,

а совокупность узлов32, очерченная

на фиг. 4 пунктиром,тиражируется дважды (33, 34).

5

Работа блоков.33, 34 полностью анлогична работе блока 32. В выходных сигналах ф(4

на

L/) напря- 2 показано пункти.i Yuj . фиг. 5 дополнительно к индексу i,

характеризующему номер канала, введе индекс , В, С, характеризующий принадлежность блоков 32-34 соответствующей фазе преобразователя.

Если принять, что выходная частота преобразователя f много меньше частоты f питающего напряжения, то фрагменты напряжений ибД1-иодэ (на

гп

интервалах &t 7) будут иметь вид о

напряжений Uj -Uj, на выходе выпрямителей 3.1-3.3 (без учета фильтрующего действия конденсаторов 4,1- 4.3).

При последовательном соединении выходов инверторов (фиг. 7) j-й фазной группы электромагнитные узлы 8-10 не требуются, а выходное фазно напряжение 11д0 преобразователя на указанном интервале будет иметь вид суммы напряжений п каналов (фиг0 2) Пульсирующее с частотой 18 f жение Uflo на фиг ром. Никаких особенностей в работу выпрямителей 3.1-3.3 последовательное соединение не вносит.

Благодаря наличию узлов 8-10 в лбой момент времени в проводящем состоянии находятся вентили всех п выпрямителей, т.е. последние работают в этом случае точно так же, как и при последовательном соединении выходных каналов.

К обмоткам узла 8, например, кладываются напряжения UA)fl, UA (фиг. 2), представляющие собой разность между выходным (фазным) напряжением иадпреобразователя и напржением на выходе соответствующего инвертора.

Разностное напряжение U,ft показано на фиг, 2 дважды - на отдельной временной оси и штриховкой на диаграмме ийд f (t).

Параллельное суммирование характеризуется также тем, что полезная (в данном случае постоянная) составляющая Ujgn выходного напряжения остается равной полезной составляющей

пр

U

j. 1-го канала, а

значение Uj,-„несколько

О с.til

мального значения (фиг. 2).

максимальное его меньше максиU,},- 1-го канала

6

фиг.

0

5

Как видно из фиг. 2, напряжения fHA А7А иДздна обмотках узла 8 образуют трехфазную систему. Из рассмотрения узла 8 с позиции трансформатора следует, что по отношению к этим напряжениям он находится в режиме холостого хода, представляя для них большое сопротивление. Проявляющиеся таким образом фильтрующие свойства этого узла дают основание называть его Фильтром-трансформатором

(ТУ.

Диаграммы на фиг. 4 поясняют работу силовой части преобразователя по фиг. За и его блока управления по фиг. Зб. Используемые при напряжениях U(p) индексы (р) отражают принадлежность их соответствующему узлу или точкам схемы: И - сигнал (напряжение) на выходе задатчика 18 тактовой частоты; U(},)(.-UW(,,j выходные сигналы трех каналов регистра 19 сдвига; U1( (-U4li4 - выходные сигналы трех фор- 5 мирователей развертывающего напряжения (ФРН) 21.1-21.3, которые в зависимости от исполнения компараторов могут быть либо разнополярными, либо однополярными. В последнем случае сравнение сигналов ФРН и задающего

0

0

осуществляют по модулю; выходные напряжения инверторов

5.1з;з;

1

UOAЈo выходные напряжения

35 преобразователя соответственно при последовательном (фиг. 7) и параллельном (фиг. За) соединениях выходов инверторов 5.1-5.3; UA|A; 11Д2Д; UA,ft напряжения на обмотках фильтра-транс- 40 форматора; Cj),- .1 алгоритмы переключения ключей инвертора 5.1 (фиг. За); U2n-UM,- прямой и инверсный сигналы на выходах компаратора 22.1 и. логического элемента НЕ 28.

45 Напряжения UOA; (где п) на выходе инверторов 5.1 формируются в результате сравнения в компараторе 22.1 1-го развертывающего напряжения U2t- с задающим 11ази соответствующей

50 логической обработки в 1-м логическом узле 25.1, с которого сформированные сигналы VHi,- .i поступают (после предварительного усиления и гальванической развязки) на управля55 кядие входы транзисторов 11.1-14.1 инвертора 5.1.

В примере на фиг Зб сигналы С., снимают с преобразователя 24 формы (ПФ), выполняющего функцию датчика полярности задающего напряжения U2jH выполняемого обычно на базе операционных усилителей.

При выбранном на фиг. 4 соотноше- нии частот развертывающего и задающего сигналов, равном 3, ближайшей по частоте гармоникой в напряжении ид;д является 5-я гармоника (относительно частоты выходного напряжения), пока- занная на фиг. 4 пунктиром. С увеличением кратности частот развертывающего и задающего сигналов рабочая частота ФТ возрастает и, следовательно, массогабаритные показатели (ФТ) будут улучшаться,

Функциональная характеристика регистра 19 сдвига, который в рассматриваемом на фиг. 3 примере выполнен трехразрядным (), определяет- ся временными диаграммами сигналов U(t) , (,) U/q(m| снимаемых с его выходов I, II, III и сигналом1 U 1g , поступающим на его вход с задатчи- ка 18 тактовой частоты.

Эффективность подавления пульсаций, обусловленных выпрямлением сетевого напряжения,.с помощью узлов 8- 10 при используемом алгоритме инвертирования недостаточно высока. Объяс- няется это наличием интервалов времени, на которых не все п инверторов фазной группы находятся в режиме подведения питающего (выпрямленного) напряжения к нагрузке: часть из них находится в режиме шунтирования нагрузки i-й обмоткой ФТ посредством соответствующих ключевых элементов 1-го инвертора, в результате чего условие образования n-фазной системы гармоник (из спектров п выпрямленных напряжений) нарушается.

Для ослабления этого недостатка предлагается на входе инверторов ус- тановить второй (входной) фильтр- трансформатор 35, обмотки 36-38 которого расположены на соответствующих стержнях замкнутого п-стержнево- го магнитопровода и включены в одну

из шин питания одного из п инверторов (фиг. 6). Эффективность такого решения увеличивается с ростом фазное- ти m-преобразователя, поскольку этот фактор, обеспечивая непрерывность и большую равномерность потребляемых от выпрямителей токов, создает условия для проявления фильтрующих свойств ФТ (35).

г 5

0 5

0 с о

с

0

5

В тех случаях, когда требуется реализовать высоковольтный выход (без использования последовательного соединения полупроводниковых приборов), рациональным оказываемся последовательное соединение выходов инверторов фазной группы. Фильтры-трансформаторы в г;том случае не требуются. Структура такого преобразователя поясняется на фиг. 7, а временные диаграммы, поясняющие сЬормирование выходного напряжения U.., приведены на

одг. фиг. 4,

Предложенное решение позволяет при равных условиях по элементной базе существенно (в п раз, где п - канальность преобразующего тракта) расширить частотный диапазон воспроизводимых сигналов, а также более чем в п раз улучшить качество преобразованного энергетического потока.

Формула изобретения

1. Преобразователь частоты, содержащий основной щ-фазный преобразующий канал в виде многофазного трансформатора, к вторичной обмотке которого через выпрямитель с пулъс- ностью S выпрямленного напряжения подключен га-Фазный инвертор в виде m однофазных мостов на управляемых ключах и блок управления его ключами, включающий в себя последовательно связанные между собой задатчик тактовой частоты и основной тп-канальный модулятор ширины импульсов в виде основного формирователя развертывающего напряжения, выходом подключенного к первым входам m основных фазных компараторов с выходами F-, вторые входы которых подключены к соответствующему выходу га-фазного задатчика эталонного напряжения с Фазными выходами F:, где ,B,C,..., - индекс фазы выходного напряжения, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона и улучшения спектрального состава выходного напряжения, он снабжен п-1 дополнительными аналогично выполненными m-фазными преобразующими каналами, вторичные обмотки многофазных трансформаторов которых выполнены по схемам с последовательным фазовым сдвигом одноименных по выходной фазе напряжений вторичных обмоток на угол

21 Sn

где n - общее число каналов, вы

ходы однофазных мостов одной фазы, принадлежащие разным каналам, соеди- нены по схеме суммирования, блок управления снабжен п-1 дополнительными формирователями развертывающего напряжения, входы которых совместно с входом основного формирователя вертывающего напряжения соединены с выходом задатчика тактовой частоты через введенный n-разрядный регистр сдвига, п-I дополнительными компараторами, которые вместе с основными образуют п m-фазных групп с выходом К в ji-м компараторе, где i - номер канала, а также та преобразователями .формы сигнала с парафазными выходами Pj и Ф; , входами подключенными к F: выходам задатчика эталонного напряжения и реализующими функцию г.1 sign F: , и m:n логическими узлами с парафазными выходами у;; H(, причем одни входы дополнительных компараторов подключены к выходам соответствующих дополнительных формирователей развертывающего напряжения, другие входы компараторов, входящих в j-ro фазную группу, подключены к соответ- ствующему фазному выходу F.- задатчика эталонного напряжения, выходы V) ИФ) кажД°го логического узла связаны с управляющими входами соответствующих управляемых ключей одного полумоста ji-моста, управляющие входы управляемых ключей другого полумоста каждого из п инверторных мосто J-й группы связаны с выходами 9; и Pj указанного преобразователя формы

0

0 5 0

5

5

0

сигнала, а ji-й логический узел выполнен реализующим на своем прямом выход е логическое выражение (J. К . i К. .J

2, Преобразователь по п, отличающийся тем, что при реализации в нем высоковольтного выхода выходы п инверторных мостов каждой фазы соединены последовательно.

3.. Преобразователь по п. отличающийся тем, что при реализации в нем сильноточного выхода в него введены п выходных п-об- моточных фильтров-трансформаторов с расположением каждой обмотки на одном из стержней замкнутого п-стержкево- го магнитопровода, причем одни одноименные по полярности выходные выводы п инверторных мостов j-и фазной группы объединены, образуя первый выходной фазный вывод преобразователя, а каждый другой выходной вывод этих п мостов через соответствующую обмотку фильтра-трансформатора подключен к другому выходному фазному выводу преобразователя.

4. Преобразователь по пп. I и 3, отличающийся тем, что, с целью дальнейшего улучшения спектрального состава выходного напряжения, в него введен входной п-обмо- точный фильтр-трансформатор, каждая обмотка которого расположена на соответствующем стержне замкнутого п- стержиевого магнитопровода и включена1 последовательно в одну из цепей питания каждого из п преобразующих каналов.

№Щ

За

Ј-глф

09009VI

1L J

G Ч Ч

- Csl it

Гз:

о fi

cvj м «м « и f Г Г tj о - о J «J v

/{V У ф ф ф ф ф фф ф

S

rr-tMe J 4iiC4 ftr S 52l

a geotQ«oeoa 0 «o

2«4й-йй8 а:й р

ф ф ф

«о

5

5555

2 S5 1

л. v

ш

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах автоматики. Цель - расширение частотного диапазона и улучшение спектрального состава выходного напряжения. Преобразователь частоты может быть выполнен, например, с трехфазным выходом, т.е.содержать три преобразующих канала 1.1-1.3. Каждый Iй канал выполнен в виде последовательно соединенных вторичной обмотки 2.I, мостового выпрямителя 3.I с конденсатором 4.I на выходе и трех однофазных мостовых инверторов 5.I, 6.I, 7.I. Суммирование выходных напряжений инверторов фазных групп осуществляется либо параллельным / при реализации сильноточного выхода/, либо последовательным/ при реализации высоковольтного выхода/ соединением выходов инверторов. Для эффективного подавления пульсаций, обусловленных выпрямлением сетевого напряжения, на входах инверторов установлен фильтр-трансформатор 35. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Z.I

Фиг В

Ш

«с

Фиг 7