@ -Фазный преобразователь частоты с квазисинусоидальным выходным напряжением Советский патент 1989 года по МПК H02M7/5395 

ел to

tsd

со а

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение при построении источников вторичного электропитания, предназначенных, например, для питания частотно-управляемых электроприводов, особенно в тех случаях, в которых требуется повышенное качество выходного напряжения и тока нагрузки, согласо- йание уровней напряжений питания и потребителя, регулирование в широких пределах или стабилизация выходного многофазного напряжения, изменение выходной частоты от значений, близких к нулевым, до заданных, а также бесконтактное автоматическое изменение порядка чередования фаз для реверса двигателей при ограничениях на массо- габаритные показатели устройства, реализующего эти функции.

Цель изобретения - уменьшение массы и габаритов преобразователя и расширение его функциональных возможностей за счет обеспечения регулирования значения выходного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что преобразователь, содержащий т-фаз ный входной трансформатор с первичной т-фазной обмоткой ист группами вто- ричных т-фазных обмоток с напряжениями частоты F .

На фиг. 1 представлена блок-схема трехфазного преобразователя частоты (т 3); на фиг. 2 - принципиальная схема СИ.ПОВОЙ части трехфазнЬго преобразователя; на фиг. 3 - то же, трех- цепевого переключателя переменного тока; на фиг, 4 - схема фазосдвигаю

щего блока; на фиг. 5 - диаграммы, поясняющие процесс формирования выходного напряжения; на фиг. 6 - диаг- раьгмы, поясняющие работу фильтра-трансформатора; на фиг. 7 - диаграммы напряжений преобразователя с регули- руемым выходным напряжением; на фиг. 8, 9 - диаграммы напряжений преобразователя постоянного напряжения в квазисинусоидальное; на фиг. 10, 1I - диаграммы, поясняющие формирование управляющих сигналов переключателей.

Рассмотрим один из примеров конкретного вьшолнения преобразователя частоты, когда m 3.

Преобразователь содержит три груп- пы трехфазных вторичных обмоток, рас- ..положе1шых на магнитопроводе трехфазного входного трансформатора 1(фиг. I

0

,Q

гО

5

35

40

дс

ч

с входными напряжениям частоты F , задающий генератор 2 с выходной частотой 6 F 2, распределитель 3 импульсов с трехфазным выходом на частота F, йыполненный по кольцевой пересчетной схеме с тремя парафазными выходами и синхронизируемый генератором 2, трехфазные модуляторы А - 6, подключенные силовыми входами к вторичным обмоткам трансформатора 1, а управляющими входами - к выходам распределителя 3, и выходные высокочастотшзШ трехфазные суммирующие фильтры-трансформаторы 7-9 для практической реализации параллельного соединения синфазных выходов модуляторов, выполняющие фактически функцию выходных фильтров. Выход фильтров-трансформаторов являются выходом устройства.

Для реализации преобразователя частоты с регулируемым выходным напряжением в него введены фазосдвигаюпсие блоки 10 - 12 (фиг. 1) между выходами распределителя импульсов и управляющими входами модуляторов. Фазосдвигающий блок (10-12) содержит пару фазосдвига- ющих устройств 13 и 14 (фиг. 4), реализующих фазовые сдвиги сигнала типа меандр Р: соответственно на регулируемые углы (+oi,) и (-0,). Полученные сигналы Pi(. P,(-oi.) суммируют последовательно согласно друг с другом и (встречно с сигналом Р; фазосдвигаю- , щего блока, образуя таким образом требуемьй выходной сигнал (в коде +1, -1) П; согласно выражению

п; p;(..oii p -c-oii + Р;

- Р

Ч-f-ci)

+ Р

(-oil

- Р:

При построении узла 10-14 на стандартных norH4ecK ix элементах сигналы

PI Pi(4ci1 Plf-wL) выражаются в коде О и 1. В этом случае логическое выражение для П- приобретает нормированный вид (в коде Oji)

j

Pi(+c.yPi(-ti) Vj Pj(-bi)

+ P

5(i)J.

Силовая часть рассматриваемого при- примера выполнения преобразователя включает в себя три группы трехфазных -вторичных обмоток (фиг. 2) входного трансформатора 1, трехфазные модуляторы 4, 5, 6, содержащие по два пол- ностью управляемых переключателя переменного тока (15-20) и выходные высокочастотные трехфазные суммирующие фильтры-трансформаторы 7, 8, 9 (фиг. 2), представляющие собой три комплекта трехфазных обмоток, соединенных в звезду и расположенных на стержнях трех замкнутых трехстержне- вых магнитопроводов, причем обмотки, расположенные на одном магнитопрово- де, например 7, включены между одним из выходов преобразователя, а именно: выходной фазой А (i 1) и отводами от средних точек вторичных обмоток входного трансформатора 1, принадлежащих к фазе а (первой фазе) первой группы (J 1), фазе fe (второй) второй группы (J 2) и фазе с (третьей) третьей группы (j 3), а обмотки фильтра-трансформатора, например 8, включены между выходной фазой В (i 2) и отводами от средних точек вто- ричнь1х обмоток трансформатора 1 , принадлежащих для рассматриваемого случая (F, F) к Фазе С (третьей флзе) первой группы (J О, фазе а второй группы (J 2) и фазе & (2) третьей группы (j 3).

Трехцепевой переключатель содержит трехфазный диодный мост на диодах 21-28 (фиг. 3) с транзистором 29 в диагонали постоянного тока. Если преобразователь вьтолняют без нулевой фазы на выходе, то в схеме трехцепе- вого переключателя диоды 27, 28 не ставят, а следовательно, нулевую фазу не формируют (на фиг. 2 в этом случае проводник, соединяющий нулевые вьшоды переключателей, отсутствует).

Устройство работает следующим образом.

Входные синусоидальные напряжения преобразователя частоты Р. (фиг. 5 кривые 30, 31, 32), имеющие взаимный фазовый сдвиг 2 ТГ/3, подают с выхода трехфазного трансформатора 1 на силовые входы модуляторов 4, 5, 6, на управляющие входы которых подают прямоугольные двухполярные импульсы частоты F, со взаимным фазовым сдви- гом также (фиг. 5а ,8,) с па- рафазных выходов распределителя 3 импульсов, синхронизируемого задающим генератором 2. На выходах модуляторов 4, 5, 6 получают напряжения с частотой первой гармоники.

F, F.I

с фазами (по первой гармонике) А,В,

1522367

0

5

С трехфазной системы. Вид всех трёх напряжений фазы А, например, показан на фиг. 5 1,q,e, кривые 33, 34, 35 (фиг. 6а,5,Ь). Выходные напряжения модуляторов представляют собой фактически результат перемножения соответствующих фазных напряжений частоты F (фиг. 5 а,г,е, кривые 30, 31, 32) с соответствующими фазными сигналами частоты F 2 (фиг. 5а,5,&) согласно схеме фиг. 1 .

Основные гармоники высокочастотных заполнений напряжений каждой фазы на выходе модуляторов с частотой

F F, - F

образуют также трехфазную систему 0 (трехфазные системы образуют и многие другие высокочастотные гармоники). Напряжения одной фазы с выходов модуляторов 4, 5, 6 подают на соответствующие обмотки одного из трех трех- 5 фазных фильтров-трансформаторов 7, 8 или 9 (через нагрузку преобразователя j. По первой гармонике синфазных напряжений каждый фильтр-трансформатор работает в режиме короткого замы- 0 кания (его обмотки оказьюаются ченными фактически параллельно, что эквивалентно короткому зa ыкaнию трехфазного трансформатора) или первая гармоника без искажений попадает на выход преобразователя (правда вместе с другими синфазными гармониками). По отношению к основным гармоникам высокочастотных заполнений обмотки каждого фильтра-трансформатора включе

ны по обычной схеме звезда, а фильтры-трансформаторы, задерживая на себе все высокочастотные гармоники, образующие трехфазные системы (в общем случае т-фазные), не пропускает их на выход преобразователя. На выходе преобразователя формируются фазные напряжения улучшенного гармонического состава (вид фазы А показан на фиг. 5ж и 6ж), идентичные по форме суммарным выходным напряжениям модуляторов 4, 5, 6 (по каждой фазе) и отличающиеся от последних лишь уменьшенной в 3 раза амплитудой (при суммировании синфазные гармоники имеют утроенную амплитуду, а гармоники, образующие трехфазные системы, - нулевую).

К обмоткам фильтров-трансформаторов 7, 8, 9 оказьшаются приложенными

напряжения с частотой основной гармоники FJ (на фиг. 6l ,,е показаны на, пряжения на обмотках фильтра-трансформатора 7), с частотой высокой, поэтому масса и габариты фильтров-трансформаторов будут незначительными.

Порядок чередования фаз на вьгкоде преобразователя, показанный на фиг. I имеет место только при условии: F,: F,. При F, 7 порядок чередования фаз меняется на обратньш.

Устройство с введенными фазосдви гающими блоками работает аналогичным

, образом, отличие состоит лишь в том, что на управляющие входы модуляторов 4, 5, 6 подают cфopмlfpoвaнныe блока ми 10, П, 12 импульсы вида фиг. 7 а,& , Ь. Ву.одные (силовые) и выходные напряжения модуляторов с фазой д на выходах модуляторов 4, 5, 6 поА, напри 1ер, для этого случая показаны на фиг, 7 Z.,i3, е. При этом на выходе преобразователя формируются напряжения вида фиг. (фаза А) регулируемой амплитуды (первой гармоники). 25

Особенности работы силовой части рассматрив аемого примера выполнения преобразователя заключаются в следующем.

лучают напряжения с широтно-икпульс- ной модуляцией и частотой первой гармоники f с фазами А, В, С трехфазной системы. Вид всех трех напряжений фазы А, например, показан на фиг, , ,u фиг. 9 а ,S, , На выходе преобразователя после фильтров-трансформаторов 7, 8, 9 формируются напряжения с уменьшенным значением коэффициента

лучают напряжения с широтно-икпульс- ной модуляцией и частотой первой гармоники f с фазами А, В, С трехфазной системы. Вид всех трех напряжений фазы А, например, показан на фиг, , ,u фиг. 9 а ,S, , На выходе преобразователя после фильтров-трансформаторов 7, 8, 9 формируются напряжения с уменьшенным значением коэффициента

Вторичные обмотки трансформатора 1 Q гармоник (вид напряжения фазы А пока35

40

с синусоидальными напряжениями фаз А, В, С фиг, 5.-г ,е, кривые 30, 31, 32 подключены к трехцепевым переключателям переменного тока 15-20 соответственно модуляторов 4, 5, 6 согласно схеме фиг. 2. На базы транзисторов переключателей 15, 17, 19 (относительно эмиттера) поступают управляющие сигналы вида фиг. 5 а ,5,S соответственно, а на базы транзисторов переключателей 16, 18, 20 - сигналы, обратные этим, соответственно. Отводы от средних точек вторичных обмоток А, В, С, являющиеся фактически выходами модуляторов, с напряжениями (от- носительно нулевой фазы) вида, анало- гичного фиг. 52,,е, кривые 33, 34, 35 (фиг. 6cii,S ,b) на которых показаны напряжения только фазы А, подключены к соответств тощим обмоткам фильтров-трансформаторов 7,8,9, соединенным в звезду (фиг, 2), Фильтры-трансформато- . ры задерживают на своих обмотках напря- . жения вида, аналогшшого фиг. 62,,5, на которых показаны напряжения на обмотках только фильтра-трансформатора 7, и пропускают на вьпсод преобразователя к фазам А, В, С.квазисинусои- дальнь1е напряжения вида, аналогично50

55

зан на фиг. ). Выходные линейные напряжения преобразователя будут иметь еще более высокое качество своей формы за счет отсутствия гармоник, кратных трем (в общем случае - кратных т). К обмоткам фильтров-трансформаторов 7, 8, 9 будут приложены напряжения с частотой основной гармоники F (на фиг. 91,,8, показаны напряжения на обмотках фильтра-трансформатора 7).

Ломанная линия трапбщеидального вида на фиг, образована низкочастотными гармониками, кратными f, и представляет собой фазное напряжение без учета субгармонических составляющих, легко устраняемых небольшим фильтром даже при нагрузке активно- индуктивного характера.,

Введение т-фазных фильтров-тране- форматоров на выходе преобразователя выгодно отличает предлагаемое устройство от указанного прототипа, так как наличие фильтров-трансформаторов позволяет снизить установленную мощность как т-цепевых переключателей (модуляторов), так и групп вторичных обмоток (трансформатора), причем как тех, так и этих в m раз, что позволяет существенно уменьшить массу и габариты

5

го фиг. 6)k, , на которой показана форма напряжения фазы А улучшенного гармонического состава.

По блок-схеме фиг. 1 можно строить и преобразовать с прямоугольной формой напряжения на входе модуляторов, например преобразователи постоянного напряжения в квазисинусоидальные. В них напряжения прямоугольной формы, например, с паузой регулируемой длительности 2 oi 2 (фиг. Sa.S,)) повышенной (несущей) частоты F, , образующие трехфазную систему, получают на выходах инверторов с выходными трансформаторами и подают на силовые входы каждого из модуляторов 4, 5, 6. На. фиг. 8 показаны -правляющие сигналы модуляторов . частоты F,, . Тоглучают напряжения с широтно-икпульс- ной модуляцией и частотой первой гармоники f с фазами А, В, С трехфазной системы. Вид всех трех напряжений фазы А, например, показан на фиг, ,u фиг. 9 а ,S, , На выходе преобразователя после фильтров-трансформаторов 7, 8, 9 формируются напряжения с уменьшенным значением коэффициента

гармоник (вид напряжения фазы А пока5

0

0

5

зан на фиг. ). Выходные линейные напряжения преобразователя будут иметь еще более высокое качество своей формы за счет отсутствия гармоник, кратных трем (в общем случае - кратных т). К обмоткам фильтров-трансформаторов 7, 8, 9 будут приложены напряжения с частотой основной гармоники F (на фиг. 91,,8, показаны напряжения на обмотках фильтра-трансформатора 7).

Ломанная линия трапбщеидального вида на фиг, образована низкочастотными гармониками, кратными f, и представляет собой фазное напряжение без учета субгармонических составляющих, легко устраняемых небольшим фильтром даже при нагрузке активно- индуктивного характера.,

Введение т-фазных фильтров-тране- форматоров на выходе преобразователя выгодно отличает предлагаемое устройство от указанного прототипа, так как наличие фильтров-трансформаторов позволяет снизить установленную мощность как т-цепевых переключателей (модуляторов), так и групп вторичных обмоток (трансформатора), причем как тех, так и этих в m раз, что позволяет существенно уменьшить массу и габариты

преобразователя. Кроме того, что суммарная установленная мощность всех фильтров-трансформаторов, которую в первом приближении можно определить как половина (вторичных обмоток нет, есть только первичные) произведения действующих значений первой гармоники выходного тока и основной гармоники приложенного к нему напряжения 4 несмотря на разные их частоты, так как потери мощности в меди трансформатора определяются в основном током нагрузки, т.е. выходньм током, а потери в стали - в основном величиной приложенного напряжения), увеличенная в га раз, составляет величину в половину выходной мощности при активной нагрузке (амплитуды первой гармоники выходного напряжения и основной гармоники приложенного к фильтр-трансформатору напряжения равны, что иллюстрирует и фиг. 6,,е,Я.), т.е. в половину установленной мощности т-фазного трансформатора на входе предлагаемого преобразователя (при этом потерями мощности в трактах преобразователя можно пренебречь в силу их несущественной величины), они работают фактически на высокой частоте Fj (режим работы трансформатора определяется частотой приложенного напряжения), на практике превышающей F, не менее, чем в 2 раза. Следовательно, масса и габариты их невелики.

Снижение установленной мощности т-цепевых переключателей происходит в m раз, так как во столько раз уменьшается величина коммутируемого ими тока, ибо в любой момент времени вместо одного переключателя тот же ток нагрузки пропускают переключателей, строго равномерно загруженные этим током (строго благодаря функции выравнивания, свойстванной фильтрам- трансформаторам) .

Снижение установленной моищости вторичных обмоток трансформатора на входе преобразователя в m раз объяс- няется тем, что каждая вторичная обмотка (со средним отводом) у прототипа функционирует, отдавая мощность в нагрузку, в течение только 1/т части всего времени, и чтобы передать необходимую средшою (за период вьсходного напряжения) мощность вынуждена в течение времени функционирования отдавать увеличенную в m раз относительно

0

0

5

0

5

0

5

п

средней мощность, т.е. иметь 3aBbmiieH- иую в т раз установленную мощность. Другими словами, в предложенном преобразователе вторичные обмотки трансформатора, работая непрерывно, обеспечивают среднюю мощность в нагрузке, имея в m раз меньшую установленную мовщость, чем у прототипа с

К достоинствам предложенного преобразователя следует отнести также возможность построения транзисторных преобразователей повьш1енной мощности без применения параллельного соединения полупроводниковых приборов, так как каждый ключевой элемент модуляторов рассчитывается на заниженную в m раз мощность, преобразователь имеет хорошие массогабаритные показатели даже при инфранизких выходных частотах, поскольку его трансформаторы в силу принципа работы имеют рабочую частоту значительно выходной (Е , FI + F с величинами до нескольких десятков килогерц), причем их массй и габариты практически не зависят от значения выходной частоты, которая может изменяться от нулевьгх значений до заданных, пр1-1менение фазосдвигающих блоков позволяет реализовать регулирование ширины импульсов выходного напряжения преобразователя путем изменения угла фазового сдвига oi, и cig,. Что позволяет осуществлять регулирование в широких пределах или стабилизацию амплитуды первой гармоники выходного напряжения преобразователя.

Формула изобретения

1, га-Фазный преобразователь частоты с квазисинусоидальным выходным напряжением, содержащий т-фазньш входной трансформатор с первичной т-фаз- ной обмоткой и с m группами вторичных т-фазных обмоток, 2т т-цепевых пере- кя очателей переменного тока, силовые выводы каждого из которых подключены к крайним выводам соответствующей группы вторичных т-фазных обмоток, а управляющие вьшоды этих переключателей связаны с соответствующим выходом распределителя импульсов, отличающийся тем, что, с целью уменьшения массы и габаритов, он снабжен m числом т-фазных фильтров-транс-- форматоров, каждый из которых вьлюл- нен в виде га-фазной обмотки, соединенной в звезду и расположенной на стержнях замкнутого т-стержневого магнитопровода, причем свободные-крайние выводы т-фазной обмотки i-го фильтра трансформатора подключены к введенному отводу от-средней точки вторичной обмотки входного трансформатора, при- надлежащей к (j-O i3 ft фазе группы с номером j, где j 1,...,га- и i 1,...,ш-фазовые индексы соответственно входного и выходного напряжений преобразователя, причем при значениях полученного из выражения Rj-O + i индекса больше числа m из него следует вычесть число т, при этом распределитель импульсов вьтолнен по кольцевой пересчетной схеме с m парафазными выходами Р; и Р: , связа ными с управ- ЛЯЮ1ЦИМИ вьшодами П: ц П: т-цепевых переключателей переменного тока, подключенных к крайним выводам одной и той же группы га-фазных вторичных обмо ток.

j 2. Преобразователь по п. 1, о т - {л и ч а ю щ и и с я тем, что указап- |ная связь вькодов распределителя импульсов ; и Р с управляющими вьшодами П: и II- т-цепевьгх переключателей переменного тока осуществлена путем их непосредственного соединения,

3. Преобразователь по п. 1, о т - личаюо;ий ся тем, что, с целью расширения функциональньк возможностей за счет обеспечения регулирования значения выходного напряжения, указанная связь выходов распределителя импульсов Pj и Pj с управляющими вьшодами П : и П

т-цепевых переключателей переменного тока осуществлена посредством введенных m фазосдвигающих блоков, обеспечивающих реализацию следующего логического выражения

Р;(,,-РЙ-.) Р , ,

U-)

+ Р

JU

где Pj(4oi.) и Pj(.5) - сдвинутые соответственно на угол опережения +о6и на угол отставания отношению к Р; последовательности импульсов, опре- деляемые в коде О и I,

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение при построении источников вторичного электропитания и частотно-управляемых электроприводов. Цель изобретения - уменьшение массы и габаритов преобразователя и расширение его функциональных возможностей за счет обеспечения регулирования значения выходного напряжения. К вторичным обмоткам трехфазного входного трансформатора 1 подключены силовые входы трехфазных модуляторов 4-6. Управляющие входы трехфазных модуляторов 4-6 подключены к выходу распределителя импульсов 3 через фазосдвигающие блоки 10-12. Напряжение, подаваемое на силовые входы трехфазных модуляторов 4-6, имеет частоту F 1, а на их управляющие входы - частоту F 2. Напряжение разностной частоты F 1-F 2 поступает через трехфазные фильтры-трансформаторы 7-9 на выходные выводы преобразователя. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

Д

-Ha

иг.5

r lflfLJF b:dF

№

IfL-JU 1

Л

rt

1 Л П

U U LJ

D

П.

U U U П. л. л. П

и U U

1

mi

пиш

qjusB

rotП

LJ

IPRfbffl

/7д / л й Pи лУ / x - J /° lM-PiJ7 )-2Pд- я)

uuuu

f

шит

n

uuu

1

U

-.ЛД,Пг1 П n.P.i,

uHj V - Vuiii

/к

L 18flM

Ufflfl

лшт

физ.З

ъ

LJ

IPL

L