Способ преобразования частоты переменного тока Советский патент 1991 года по МПК H02M5/27 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, а именно к способам преобразования электроэнергии переменного тока одной частоты и /или одного числа фаз в электроэнергию другой частоты и /или другого числа фаз. и может быть использовано в преобразователях однофазного синусоидального напряжения с промежуточным повышением частоты (или без изменения ее) в однофазное или многофазное квазисинусоидальное напряжение в энергетике, автоматике и других отраслях, потребляющих энергию переменного тока.

Цель изобретения - улучшение динамических характеристик процесса преобразования при сохранении качества выходного напряжения.

На фиг. 1 изображены временные диаграммы напряжений для случая разбиения

полупериода частота f i) на 6 временных интервалов, соотношения частот f3- nfi. . тррхфазного выходного напряжения и разбиения полупериода -у на 6

временных интервалов; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений для случая разбиения полупериода Ti/2 на 12 временных интервалов, соотношения частот . , трехфазного выходного напряжеоел о

ON

ь го

ния и разбиения полупериода на 6

временных интервалов; на фиг. 3 и 5 - принципиальные электрические схемы силовой части преобразователей с указанными параметрами для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 4 -структурныесхемы управления указанными преобразователями.

Операции предлагаемого способа осуществляют в следующей последовательности:

-разбивают каждый полупериод напряжения uv на п одинаковых временных интервалов;

-делят мгновенное значение напряжения Uv на составляющие на каждом интервале;

-при преобразовании без промежуточного изменения частоты fi изменяют мгновенные значения формируемых составляющих шм напряжения uv в разное число, KMJ, получают измененное напряжение UIM, а затем квазипрямоугольное вида меандр синфазное с uv напряжение UT2J частотой fi, где М - номер составляющей напряжения; J - номер составляющей выходного квазисинусоидального напряжения;

-при преобразовании с промежуточным изменением частоты сначала производят преобразование формируемых составляющих шм частотой fi в напряжения игим частотой f2 fi, а затем изменяют мгновенные значения напряжений игим ча стотой f2 в разное число раз KMJ и получают измененные значения игим, а затем напряжение UTH2J частотой f2;

-преобразуют каждое напряжение UT2J частотой fi или напряжение итгш частотой f2 в квазипрямоугольную составляющую U2J частотой fa квазисинусоидального напряжения;

-формируют из составляющих U2J квазисинусоидальное напряжение частотой fa.

На фиг. 1а показано разбиение полупериода на 6 одинаковых временных интервалов; б - деление напряжения uv на составляющие напряжения иц, ui2, im: в изменение мгновенных значений напряжений u n-ui3 в разное число раз, получение

напряжений un - и формирование из них квазипрямоугольных напряжений UT21-UT26 вида меандр с волнистыми вершинами (напряжения отличаются от ит21 только величиной); г - преобразование напряжений частотой fi в ква- зипрямоугольные напряжения U21-U26

-

-

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

частотой fa; д - формирование линейных напряжений UAB, UBC, UCA из напряжений U21-U26 (напряжения идв, иве не показаны). Согласно фиг. 16 и принципу деления напряжение uv на первом интервале 0-t1 содержит одну составляющую напряжения иц, мгновенное значение которой равно исходному, т.е. , на втором интервале две составляющие напряжения un и U12. сумма которых равна исходному напряжению, т.е. un+ui2 uv; на третьем и четвертом интервалах - при составляющие напряжения un, U12 и ui3, сумма которых равна исходному напряжению, т.е. uii+ui2+ui3 uv, на пятом интервале - две составляющие напряжения U12 и итз, сумма которых равна исходному значению,

т.е. ui2+ui3 uv, на шестом интервале ts -j- одну составляющую напряжения итз, равную исходному значению, т.е. . При этом среднее значение составляющей напряжения иц, которая образуется на первом интервале (Упер) равно среднему значению напряжения uv на этом интервале, т.е. Uiicp Uvcp , и остается неизменным на интервалах ti, t2, хз и t4, на которых оно формируется, среднее значение составляющей напряжения U12, образующейся на втором интервале, равно разности средних значений напряжения uv на втором и первом интервалах, т.е. Ui2cp U&cp1 - ulcp1. и остается постоянным на интервалах формирования t2, t3, t4 и ts, среднее значение составляющейнапряженияитз, образующейся на третьем интервале, равно разности средних значений uv на третьем и

втором интервалах, т.е. 1Нзср Ыср1 - utcp и остается постоянным на интервалах формирования t3, t4, ts и te, среднее значение составляющейнапряженияиц, формирование которой прекращается на пятом интервале, равно разности средних значений uv на четвертом и пятом интервалах, т.е. Uncp uicp - llicp1 - llicp1, среднее значение составляющей напряжения U12, формирование которой прекращается на шестом интервале, равно разности среднего значения uv на пятом и шестом интервалах, т.е. Ui2cP U© - и(§ U© - иЙр , а среднее значение составляющей напряжения ui3, для которой шестой интервал является последним интервалом формирования,

равно uQ.

Мгновенные значения составляющих напряжения un, ui2 и итз согласно фиг. 1в изменяют и формируют из измененных напряжений квазипрямоугольные, синфазные

с и напряжения ит21-ит2б, количество которых определяется числом составляющих трехфазной системы квазисинусоидальных напряжений частотой 1з (шесть на фиг. 1). Мгновенные значения напряжений un, ui2 и u i3 изменяют для формирования напряжения ит22- показанного на фиг. 1в, соответст- венно в Кц, К21 и Кз1 раз, получая одинаковые напряжения

uli(i),ub(i),ub(i) - равные ит21 на соответ- ствующих интервалах, для формирования напряжения ит22 - соответственно в Ki2, K22 и Кз2 раз, получая одинаковые напряжения

UJ(2)Ul2(2),ub(2), равные ит22- Аналогично изменяют составляющие напряжения uv и для формирования остальных напряжений UT23-UT26. При этом каждый коэффициент изменения напряжения равен отношению среднего значения формируемого напряже-

Tt

ния UT2J за полупериод -у , равного среднему значению квазипрямоугольного напряжения частотой fa на рабочей части

Тз

полупериода -у . являющегося составля-

ющей выходного квазисинусоидального напряжения, к среднему значению изменяемого напряжения на рабочей части

полупериода -у . Ток, обусловленный

каждым из напряжений , равен сумме приведенных токов, обусловленных теми измененными составляющими напряжения uv, которые участвуют в данный мо- мент времени в формировании каждого из указанных напряжений. Следовательно, суммируемое число приведенных токов зависит от номера интервала.

В соответствии с фиг. 1г преобразуют синфазные напряжения разных величин и частотой f i в квазипрямоугольные напряжения U21-U26 частотой fs разных фаз и одной и той же величины, что и напряжения соответственно .

Формируют линейные многоступенчатые квазисинусоидальные напряжения частотой f3:UAB ИЗ Напряжений U25, U26 И U2i; UBC - ИЗ U23, U24 И U25, UCA - ИЗ U21, U22, U23

(фиг. 1д).

На фиг. 2а показано разбиение полупериода -у на 12 одинаковых временных

интервалов; б - деление напряжения uv на составляющие; в - преобразование частоты fi составляющих напряжений un-uir в частоту f2, и получение напряжений ипп-иш ; г-изменение мгновенных значений напряжений ипп-игЬ частотой h в разное число раз, получение напряжений

иЛп - uAi7 и формирование из них напряжений итп21-итп2б частотой f2 (напряжения итп22-итп2б отличаются от итп21 только величиной); д - преобразование напряжений итг 21-итп2б частотой h в квазипрямоугольные напряжения с волнистыми вершинами U21-U26 частотой fs, i; e - формирование линейных напряжений UCA из напряжений

U21, U22 И U23, UBC ИЗ напряжений U23, U24 И U25 И UAB - ИЗ Напряжений U25, Ч26 И U21

(напряжения UAB и иве на фиг. 2 не показаны).

Согласно фиг. 26 и принципу деления, напряжение Uv на первом интервале 0-ti, содержит одну составляющую напряжения ui2, мгновенное значение которой равно исходному напряжению, т.е. , на втором -три составляющие напряжения и ц, ui2 и итз, сумма мгновенных значений которых равна исходному, т.е. un+ui2+ui3 Uv. на третьем . четвертом 13-14, пятом t4-ts и шестом ts-t6 интервалах число составляющих растет соответственно до четырех, пяти, шести и семи и сумма их мгновенных значений на каждом интервале также равна исходному напряжению иу. На седьмом интервале сумма является такой же, как и

на шестом, т.е. 2, иш VQ. Далее количе- м i

ство составляющих на интервалах восьмом ty-te, девятом ta-tg, десятом tg-tio и одиннадцатом tio-tii падает соответственно до 6, 5, 4 и 3 и на одиннадцатом интервале tio-tn сумма мгновенных значений IMS. uie и U17 равна исходному напряжению uv, т.е. ui5+ui6+ui7 uv. На двенадцатом интервале напряжение uv содержит одну составляющую uie. мгновенное значение которой равно исходному, т.е. . При этом среднее значение напряжения ui2. которое образуется на первом интервале, равно среднему значению напряжения uv на

этом интервале, т.е. Ui2cp (Jbcl и остается постоянным на интервалах от первого по восьмой, сумма средних значений напряжений un и un. образующихся на втором интервале, равна разности средних значений напряжения uv на втором и первом интервалах, т.е. Uпер-1- Ui3cp ,Ы$ - иУр1 и остается постоянной нг интервалах от второго по седьмой, средние значения напряжений ui4, ui5, uie, ui7, образующихся соответственно на третьем, четвертом, пятом и шестом интервалах, равны Ui4cjp ufef$ - ,,

Uiscp u(§-U©;Ui6cp U©-uQ и ml Гт1

Ui7cp - 1Дсри остаются постоянными на интервалах соответственно с третьего

по десятый, с четвертого по одиннадцатый, с пятого по двенадцатый и с шестого по одиннадцатый. Среднее значение напряжения un, формирование которого прекращается на восьмом интервале, равно разности средних значений uv на седьмом и восьмом

интервалах, т.е. (l - ulcjl, средние значения напряжений ui2-un и суммы напряжений U15+U17, формирование которых прекращается соответственно на девятом- двенадцатом интервалах, равны Ui2cp u© -u(|, Ui3cP U@ - 1Д$Р ;

Ul4c U$-uic1pV,

Ui5cp+Ui7cp: uicp- - среднее значение напряжения U16, для которого двенадцатый интервал является последним интервалом

формирования, равно Ui6cp uicp Ufrcp .

Напряжения un-ui7 частоты fi, согласно фиг. 2в преобразуют в напряжения ипп- uni7 частотой f2, с теми же мгновенными абсолютными значениями, что и напряжения .

Мгновенные значения напряжений umi-uni7, как это показано на фиг. 2г, изменяются и формируются из измененных напряжений ипп -игл с паузами той же длительности, что и в напряжениях un-ui7, напряжения итг)21-итп2б без пауз частотой f2, количество которых определяется числом составляющих трехфазной системы квазисинусоидальных напряжений частотой fa (шесть на фиг. 2д). Мгновенные значения напряжений unn-urm изменяются для формирования напряжения итп21 - соответственно в Kn-Ki7 раз, получая одинаковые

напряжения uftti(i)llta i), равные

итп21, для формирования напряжения итп22 - соответственно в раз, получая одинаковые напряжения иЛц(з)иЛ1(2),

равные итп22. Аналогично изменяются ипп- иги для формирования остальных напряжений и тп23-итп2б. При этом каждый коэффициент изменения напряжения равен отношению среднего интегрального абсолютных значений формируемого напряжения, равного среднему значению квазипрямоугольного напряжения частотой

Тз на рабочей части полупериода

Тз

являющегося составляющей выходного квазисинусоидального напряжения, к среднему значению соответстующей составляющей напряжения uv на рабочей части полупериода -х- . Ток, обусловленный каждым из

напряжений итп21 итп2б, равен сумме приведенных токов, обусловленных теми измененными составляющими из uftn -игш , которые участвуют в данный момент времени в формировании каждого из указанных напряжений. Следовательно, число суммируемых приведенных токов зависит от номера интервала.

В соответствии с фиг. 2г преобразуются напряжения итп21 итп2б разной величины и частотой f2 в квазипрямоугольные напряжения U21-U26 частотой f3, разных фаз и той же величины, что и напряжения соответственно 11ТП21-итП26.

Согласно фиг. 2е формируют многоступенчатые квазисинусоидальные линейные напряжения частотой 1з:идв - из напряжений U25, U26 И U21, UBC - ИЗ U23, U24 И U25, UCA - ИЗ U21, U22 И U23.

Предложенный способ в случае .

Тз

разбиения полупериода на шесть временных интервалов (1 6), более низкой частоты на выходе fз - f 1 и разбиения

Ti полупериода также на шесть временных

интервалов () для того, чтобы удовлетворялось приближенное условие квазисинусоидальности выходного напряжения:

1 Ti,.

п I - , может быть осуществлен устройством, пример принципиальной электрической схемы силовой части которого показан на фиг. 3.

Устройство по фиг. 3 содержит трансформатор 1 с тремя первичными 2-4 и шестью вторичными 5-10 обмотками. Последовательно с первичными обмотками включены рабочие выводы ключей 11-13 переменного тока по одному в каждой обмотке. Параллельно цепи обмотка 2 - ключ 11, подключен ключ 14 переменного тока параллельно цепи: обмотка 3 - ключ 12 подсоединен ключ 15, параллельно цепи обмотка 4 - ключ 13, включен ключ 16. Указанные

5 последовательно-параллельные цепи в свою очередь соединены последовательно и включены на напряжение uv. Вторичные обмотки 5-10 своими началом, средним выводом и концом соединены с рабочими

0 выводами ключей переменного тока соответственно; обмотка 5 - с ключами 17-19, обмотка 6 - с ключами . обмотка 7 - с ключами 23-25. обмотка 8 - с ключами 26- 28, обмотка 9 - с ключами 29-31, обмотка

5 Ю - с ключами 32-34. Соединенные выводы трех ключей, связанных с одной и той же обмоткой, образуют первый выходной вывод демодулятора (ДМ). Вторым выходным выводом ДМ является средний вывод вторичной обмотки. Три ДМ с обмотками б, 8 и 10 соединены в треугольник, к вершинам которого присоединяются одними своими выводами остальные три ДМ, образующие другими выводами фазы А, В и С.

Согласно структурной схеме на фиг. 4а система управления ключами 11-16 содержит задающий генератор 35, управляющий кольцевой пересчетной схемой 36, примененной в качестве фазорасщепителя. Выходные напряжения узла 36 алгебраически суммируются в узле 37, затем выпрямляются в детекторе 38 и подаются на управляющие входы ключей 11-16. Задающий генератор 35 синхронизируется источником переменного тока частотой fi. На фиг. 46 с груктурная схема системы управления кпючами 17-34, которая содержит задающий генератор 39, синхронизируемый в случае необходимости (для снижения коэффициента искажений синусоидальности выходного напряжения) источником переменного тока, кольцевую пересчетную схему 40 в качестве фазорасщепителя, к вы- ходзм которой подключены входы двух сум- маторов 41 и 42 с выходными напряжениями различного заполнения частотой тз. С первого сумматора выходные напряжения подаются через детектоо 43 на управляющие входы клю°ей 18, 21, 24, 27. 30 и 33, а с второго сумматора выходные напряжения подаются нз первые входы шести фазо-импульсных модуляторов 44-49, вторые входы которых соединяются с выходом формирователя 50 прямоугольного напряжения типа меандр, включенного на выводы источника переменного тока. Выходы модуляторов попарно подключены к управляющим входам ключей 17 и 19, 20 и 22, 23 и 25, 26 и 28, 29 и 31 и 32 и 34.

Устройство работает следующим образом.

Разбиение каждого полупериода на шесть временных интервалов, как это показано на фиг. 1а, осуществляется ключами 11-16 переменного тока в соответствии с временными диаграммами напряжений управления uuii-Uui6. На первом интервале 0-ti, начало которого совпадает с началом

полупериода (фиг. 1а), замкнуты ключи

11, 15 и 16, а ключи 12-14 разомкнуты и обмотка 2 включена на напряжение иу. На втором интервале ti-tz размыкается ключ 15, замыкается ключ 12 и возросшее напряжение uv делится между последовательно соединенными обмотками 2 и 3. Поскольку отношение чисел витков обмоток 3 и 2 выбирается равным отношению

, где U

§ и и(3

и@ - у( 3

ВД

средние значения напряжения uv на втором

5 и первом интервалах, то среднее значение

напряжения Ui2cp на обмотке 3 равно

Ui2cp Uvc$ - Uvcp1 . На третьем интервале t2-t3 размыкается ключ 16, замыкается ключ 13 и еще большей величины 10 напряжение ио делится между последовательно соединенными обмотками 2-4. Поскольку отношение витков обмоток 4 и

иС.и& ,

2 принимается равным -р/ц%-«- 1 15ад

. - среднее значение напряжения uv на третьем интервале, то среднее значение напряжения Uncp на обмотке 4 равно

n Ui3cp Utfc|S -Uvcp1 Uncp. На четвертом интервале состояние ключей не меняется. Поскольку среднее значение напряжения uv такое же, как и на третьем интервале, остаются включенными на напряжение uv три

с- обмотки 2-4. На пятом интервале ,напряжение uv ниже , размыкается ключ 11, замыкается ключ 14 и из цепи последовательно включенных обмоток исключена обмотка 2. Напряжение делится между

П обмотками 3 и 4. При минимальном напря-

жении uv на шестом интервале ts -у размыкается ключ 12, замыкается ключ 15. В результате напряжение uv прикладывается

с к одной обмотке 4.

Формируемую составляющую напряжения Uv представляет напряжение на обмотке на тех интервалах, на которых к обмотке приложены часть или полное напряжение

Q uv. На остальных интервалах, вследствие трансформаторной связи имеется наведенное напряжение на отключенной от напряжения Uv обмотке, однако она не участвует в передаче энергии из первичной цели во

5 вторичную. Составляющие un, ui2 и шз напряжения uv показаны на фиг. 16.

Изменение мгновенных значений составляющих напряжения uv осуществляется трансформатором, при этом в соответствии

Q с изложенным принципом действия, как это показано на фиг. 1в, получаются одинаковые измененные значения соответствующих составляющих иш на каждом

интервале (и ц и и 12 на втором интервале, 5 it1

iMi ,ui2 и ui3 на третьем и четвертом интервалах и т.д.), приложенных к одной и той же вторичной обмотке, например, обмотке 5 на фиг. 3. Число первичных обмоток, напряжение которых является составляющей напряжения uv, различно на разных интервалах и меняется от одной на первом интервале до трех на третьем, а затем от трех обмоток на четвертом интервале до одной на шестом, т.е. всегда имеется от одной до 2 т п-1 обмоток, через которые передается

энергия из сети в обмотку 5. Поэтому сформированное напряжение на вторичной обмотке UT21 не имеет паузы, а является непрерывной временной функцией, Так как на каждой первичной обмотке среднее значение напряжения одинаково на разных интервалах рабочей части полупериода ,

то одинаковыми на всех интервалах полупериода являются средние значения напряжения UT21 на обмотке 5. Сформированное напряжение на обмотке 5 получается квазипрямоугольной формы vt оно тем ближе к прямоугольному, чем больше число интервалов в полупериоде. Такой же формы, но другой величины являются сформированные напряжения на остальных вторичных обмотках (6-10).

Преобразование напряжений на обмотках 5-10 частотой fi в квазипрямоугольные напряжения U21-U26 частотой fa разных фаз и с паузами осуществляется с помощью шести демодуляторов, выполненных на ключах 17-34. В результате геометрического сложения выходных напряжений демодуляторов (U21-U26, фиг. 1г) образуются три линейных квазисинусоидальных напряжения, одно из которых (UCA) показано на фиг. 1д. Средние значения напряжений U21-U26 на рабочей

части полупериода -у , обозначаемые,

и2усрсвязаны с амплитудой основной гармоники выходного линейного напряжения преобразователя U Лт1 числом временных интервалов I в полупериоде и номером группы v , объединяющей вторичные обмотки трансформатора с одинаковым числом витков, следующим уравнением:

U2vcp 2Unm1 Ј.COs2(v- 1 +)/3,

/5 g; .

В преобразователе с обмотки 5, 7 и 9 входят в группу v 2. а обмотки 6, 8, 10 - в группу с V -1.

Если на выходе преобразователя одна фаза, достаточны три вторичные обмотки с напряжениями ит21-ит23 и три демодулятора на ключах 17-25 с выходными напряжениями U21-U23.

На входы ключей 11-16 подаются управляющие напряжения UU11-UU16 частотой 2fi (фиг. 1е), сформированные с помощ

узлов 35-38 (фиг. 4а) и представляющие собой абсолютные значения.сумм или разностей выходных напряжений кольцевой пересчетной схемы ucpii-ucpi6 вида меандр uyn /uCpii -u Cp 15 /:

Uy12 /Ucp12 -U cp 16/ ;

uyi3 /uCpii + ucpi3/ ;

Uy14 /UCp11 +U cp15/ ;

uyi5 /ucpi2 + ucpie/ ;

Uy16 /Ucp11 -U cp13/ .

На выходы ключей 18, 221, 24, 27, 30 и 33 демодуляторов подают напряжения соответственно Uy18, Uy21, Uy24, Uy27, Uy30, Uy,33

частотой 2fa. показанные на фиг. 1ж, кото- рые образуются после выделения в детекторе 42 (фиг. 46) абсолютных значений выходных напряжений сумматора 41с относительно малой шириной импульсов

Ф

Напряжения управления

Uy18 /Ucp21 + UCp25/ ; Uy21 /Ucp22+ UCp26/ : Uy24 /Ucp23- UCp21/ : Uy27 /Ucp24 - U cp22/, Uy30 /Ucp25 - Ucp23/ ; Uy33 /UCp26 - U cp24/;

Остальные ключи 17, 19, 20, 22, 23, 25, 26, 28, 29, 31, 32 и 34 демодуляторов управляют синфазными с Uv прямоугольными напряжениями вида меандр иСрм частотой fi, модулированными по фазе выходными напряжениями сумматора 43 с относительно большей шириной импульсов ( ) частотой тз:

U2I21 UCp21 -U Cp25 U222 Ucp2: U cp26 UЈ23 U cp23 U cp21 Ug24 Ucp24 -U Cp22 U225 Ucp25 + U Cp23 UЈ26 UCp26 + Ucp24 ;

Фазо-импульсная модуляция осуществляется в ячейках 44-49, на входы каждой ячейки подается прямоугольное напряжение иСрм формирователя 50, синфазное с uv и одно из напряжений U221-U5:26. Выходное напряжение ячейки ивмк исрп (,26).

Напряжение ивмк положительной полярности (ивмк 0) замыкает ключи 17, 20, 23, 26, 29 и 32 (напряжения управления этими ключами Uy17, Uy20, Uy23, Uy26. Uy29 И Uy32),

а напряжение ивмк отрицательной полярно- сти (ивмк 0) замыкает ключи 19, 22, 25, 28, 31 и 34 (напряжения управления uyig, иУ22, Uy25, иУ28, иуз1, иуз4. что обеспечивает проти- вофазность (попарно) соответствующих напряжений управления (uyi и Uyig, uy2o и иУ22

и т.д., фиг. 1ж). а значит и состояний ключей 17, 19. 20 и 22 и т.д. на рабочей части полупериода -й- . В пазу, когда напряжения

управления равны нулю, соответствующая пара ключей разомкнута.

В случае промежуточного повышения частоты от fi до fa (например, , более высокой частоты на выходе (например,

, разбиения полупериода -к- на 6

временных интервалов и в соответствии с этими данными для того, чтобы выполнялось условие n I разбиения полупе-

о

риода

Ii

2

на 12 временных интервалов

предложенный способ может быть осуществлен устройством, пример принципиальной электрической схемы силовой части которого показан на фиг. 5.

Устройство содержит трансформатор 51 с семью первичными 52-58 и шестью вторичными 59-64 обмотками. Первичные обмотки своими началом, средним выводом и концом соединены с рабочими выводами ключей переменного тока соответственно: обмотка 52 - с ключами 65-67, обмотка 53 - с ключами 68-70, обмотка 54 - с ключами 71 -73, обмотка 55 - с ключами 74-76, обмотка 56 - с ключами 77-79, обмотка 57 - с ключами 80-82, обмотка 58 - с ключами 83- 85. Вторыми выводами каждые три ключа соединены друг с другом и образуют один входной вывод каждого модулятора напряжения, вторым входом которого является средний вывод вторичной обмотки. Семь модуляторов напряжения соединены своими входами последовательно и включены на напряжение uv. Вторичные обмотки соединены с ключами 86-103 переменного тока и образуют шесть демодуляторов,соединенных между собой по такой же электрической схеме, как и показанная на фиг. 3.

Система управления ключами 65-85 согласно структурной схеме на фиг. 6а содержит задающий генератор 104, синхронизируемый источником переменного тока, делитель 105 частоты, управляющий кольцевой пересчетной схемой 106, примененной в качестве фазорасщепителя. Выходные напряжения ее вида меандр частотой fi в одном канале алгебраически суммируются в звене 107, затем выходные напряжения относительно малого заполнения выпрямляются в детекторе 108 и подаются на управляющие входы ключей 66,69. 72, 75, 78, 81 и 84, а во втором канале - алгебраически суммируются в звене 109 и

10

0

5

0

5

0

5

0

5

выходные напряжения относительно большего заполнения подаются на первые входы семи ячеек 110-116 фазо-импульсных модуляторов, вторые входы которых соединены с выходом задающего генератора 104. Выходы модуляторов подключают соответственно к управляющим входам попарно ключей 65 и 67, 68 и 70, 71 и 73, 74 и 76, 77 и 79, 80 и 82, 83 и 85. На фиг. 66 показана структурная схема системы управления ключами 86-103. Она содержит задающий генератор 117. синхронизируемый (при необходимости) источником переменного тока, и управляющий кольцевой пересчетной схемой 118. Выходные напряжения вида меандр частотой fa в первом канале суммируются в звене 119, затем выходные напряжения относительно малого заполнения выпрямляются в детекторе 120 и подаются на входы управления ключей 87, 90, 93. 96, 99 и 102, во втором канале выходные напряжения эвена 118 суммируются в звене 121, выходные напряжения которого относительно большого заполнения подаются на первые входы шести ячеек 122-127 фазо- импульсных модуляторов, вторые входы которых соединены с выходом задающего генератора 104. Выходы модуляторов подключены к управляющим входам (попарно) ключей 86 и 88, 89 и 91, 92 и 94, 95 и 97. 98 и 100. 101 и 103.

Данное устройство работает следующим образом.

Разбиение каждого полупериода

-у напряжения uv на 12 временных интервалов, как это показано на фиг. 2а, осуществляется ключами переменного тока в соответствии с временными диаграммами напряжений управления (фиг. 2ж). На первом интервале 0-ц разомкнуты поочередно ключи 68 и 70 (половина интервала каждый) и постоянно ключи 66, 72. 75, 78, 81 и 84, а разомкнуты поочередно ключи 70 и 68 и постоянно ключ 69 и остальные ключи с номерами в вышеуказанных пределах. Следовательно, входное напряжение ui2 (фиг. 26) второго модулятора напряжения (напряжение на ключе 69) равно напряжению uv, входное напряжение поочередно с частотой h прикладывается к левой и правой секциям обмотки 53. Поэтому их напряжение имеет повышенную частоту f2 напряжение игп2 левой секции на фиг. 2в). Таким образом осуществляется преобразование напряжения частотой fi в напряжение игш частотой f2. На втором интервале ti-t2 замкнуты поочередно ключи 65 и 67, 68 и 70, 71 и 73 и постоянно ключи

75, 78, 81, 84 а разомкнуты поочередно ключи 67 и 65,70 и 68,73 и 71 и постоянно ключи 66, 69, 72, 74, 76. 77, 79, 80, 82, 83 и 85. Напряжение uv делится между входными напряжениями un, 1112, im частотой fi (см. фиг. 26) первого, второго, третьего модуляторов, которые одновременно преобразуют указанные напряжения в напряжения соответственно ипп, ип.12 и итз частотой f2 (на фиг. 2в напряжения левых секций обмоток 52, 53 и 54). Поскольку средние значения напряжения 1112 на первом и втором интервалах одинаковы, т.е. USzep , а отношение суммы витков обмоток 52 и 54 к числу витков обмотки 53 принимается равным

ношению -ср .. ср Ki , то сумма

иУР

средних значений напряжений un и im рав- наUiicp+Ui3cp U@- uЈS- KiUi2cP.

Ui2cp Uvcp. На третьем интервале замыканием и размыканием соответствующих контактов обеспечивается деление напряжения Uv между входными напряжениями и 11-й 14 частотой fi (фиг. 26) 1-го - 4-го модуляторов, на выходах которых образуются напряжения umi-uni4 частотой f2 (фиг. 2в, напряжения левых секций обмоток 52-55. Поскольку средние значения входного напряжения каждого модулятора одинаковы ча всех интервалах, а отношение числа витков обмоток 55 и 52 принимается равным

и@ -

W

Кг, то среднее значение на-

пряжения ui4 paBHoUi4cp ulcft - и K2Ui2cp. На четвертом, пятом и шестом интервалах по указанному принципу определяют отношения чисел витков обмоток соответственно 56 и 52, 57 и 52, 58 и 52 и находят средние значения напряжений и is, ui6 и un, а значит, мгновенные значения указанных напряжений, а также напряжений urns, игле, urn (фиг. 26, в). Если учесть, что средние значения напряжений un и uIT одинаковы, то определяют средние и мгновенные значения напряжений на входе и мгновенные значения напряжений на выходе остальных модуляторов, которые соответствуют кривым, приведенным на фиг. 26, в. На седьмом интервале состояния всех ключей не меняется, поскольку среднее значение UY такое же, как на шестом интервале. Поэтому напряжение uv делится между всеми семью модуляторами. На восьмом - одиннадцатом интервалах посредством соответствующего переключения ключей изменяется число модуляторов, включенных своими входами последовательно на напря

0

5

0

5

0

5

0

жение uv в пределах от шести модуляторов на восьмом интервале до трех на одиннадцатом. На двенадцатом интервале все напряжение Uv приложено к одному (седьмому) модулятору. Таким образом можно найти мгновенные значения входных и выходных напряжений всех модуляторов на седьмом - двенадцатом интервалах (фиг. 26, в).

Изменение мгновенных значений составляющих UIM напряжения uv после преобразования их частоты fi в частоту h и образования напряжений ипш производится с помощью трансформатора 51. При этом получаются одинаковые измененные значения соответствующих составляющих напряжения частотой f2 на каждом интервале

(Urtn Uni2 и Urns на втором интервале, Unn. Uni2 Urns и Urm на третьем интервале и т.д. (фиг. 2г), приложенных к од ной и той же вторичной обмотке, например оо- мотке 59 (фиг. 5). Число модуляторов, входные напряжения которых являются составляющими напряжения uv, различно на разных интервалах и меняется от одного на первом интервале до семи на шестом, а затем от семи на седьмом интервале до одного на двенадцатом, т.е. всегда имеется от

о

одного до т, п-1 модуляторов, через которые передается энергия из сети в обмотку 59. Поэтому сформированное напряжение на вторичной обмотке ЩП21 не имеет паузы, а является непрерывной временной функцией. Так как среднее значение входного напряжения каждого модулятора одинакова на всех интервалах рабочей части полупери- TJI 2

лах являются средние интегральные абсолютных значений напряжения на обмотке 59. Напряжения 1лп22 итп.2б на остальных вторичных обмотках 60-64 также являются непрерывными временными функциями и отличаются от напряжения на обмотке 59 только величиной.

Преобразование напряжений итп21 итпм частотой f2 на обмотках в квази- прямоугольные напряжения частотой 1з разных фаз и с паузами (фиг. 2д) осуществляется с помощью шести демодуляторов, выполненных на ключах 86-103. Средние значения напряжений U21-U26 на

з

2

ются из уравнения для случая, когда . В результате геометрического сложения соответствующих выходных напряжений демо- ляторов образуются три линейных

ода

одинаковыми на всех интерва45

50

55 рабочей части полупериода - определяквазисинусоидальных напряжения, одно из которых (UCA) показано на фиг. 2е.

Возможно также построение преобразователя с однофазным выходным напряжением, имеющего, как и в случае , меньше вторичных обмоток и демоляторое, а значит, и ключей.

На входы ключей 66, 69, 72, 75, 78. 81 и 84 модуляторов подаются управляющие напряжения с соответствующими индексами (фиг. 2ж), которые образуются после выделения детектором 108 (фиг. ба) абсолютных значений выходных напряжений сумматора 107. Напряжения управления

иубб /иср12 +и ср1в/ ;

Uy69 /Ucpll +UCp19/; Uv72--; /Ucp12 Мер 110/ ; Uy75 /Ucp13 + UcplH/ ;

- A cpu - ;

Uy81 /Ucp 5- Ucpll/ I

Uy84- /UCp16 Ucp12/ ;

где Ucp.il-Urp.ii2 выходные напряжения вида меандр частотой fi кольцевой пересчетной схемы 106.

Остальные ключи модуляторов (65, 67, 68, 70, 71. 73, 74, 76, 77, 78, 80, 82) управляются прямоугольными напряжениями типа меандр частотой fz, модулированными по фазе выходными напряжениями сумматора 109 частотой fi:

U 2:11 Ucp12 - Ucp18 , Usiir- Ucpll - Ucp19;

UЈ13 ucpi2 -ucplio ; ucpi3 - ucpin ;

Ug-15 Ucp14 UCp112 Г

usie ucpis- ucpii;

Uj-17 Ucp16 -UCp112 ;

Фазо-импульсная модуляция осуществляется в ячейках 110-116. На входы каждой ячейки подаются прямоугольные напряже- ния изм частоты f2 и одно из напряжений Ugir-U2i7частотой fi. Выходное напряжение каждой ячейки равно произведению этих входных напряжений (фиг. 2ж).

На входы ключей 87. 90, 93, 96, 99 и 102 демодуляторов подаются напряжения управления с соответствующими индексами, показанные на фиг.2л, которые образуются после выделения в детекторе 120 (фиг. 66) абсолютных значений выходных напряжений сумматора 119.

Напряжения управления равны

Uy87 /Ucp21 + Ucp25/ I Uy90 /Ucp22 + Ucp26/ :

иудз /ucp23- Ucp2i/ ;

Uy96 /Ucp24 - UCp22/ ; Uy99 /Ucp25 Ucp23/ ; Uy102 /UCp26 - Ucp24/ ;

5

10

15

20

25 30

35

0 5

0

5

5

где Ucp..26 - выходные напряжения вида меандр кольцевой пересчетной схемы 118.

Остальные ключи демодуляторов (86, 88, 89, 91. 92, 9. 95, 97, 98. 100, 101, 103) управляются прямоугольными напряжениями типа меандр частотой h, модулированными по фазе выходными напряжениями сумматора 121 частотой fy

U221 Ucp21 - Ucp25 I UЈ22 Ucp22 Ucp26, Ucp23 + Ucp2l . U224 Ucp24 + Ucp22 , Ucp25 + Ucp23 ,

Фазо-импульсная модуляция осуществляется в ячейках 122-127. На входы каждой ячейки подаются прямоугольное напряжение и зп частотой f2 и одно из напряжений U221-U526 частотой fa, выходное напряжение каждой ячейки равно произведению указанных входных напряжений (фиг. 2л).

При большем числе временных интервалов п в полупериоде растет число первичных обмоток трансформатора (фиг. 3 и 5)

2

согласно уравнению т п-1 и, следовательно, число ключей, коммутирующих обмотки. В структурных схемах систем управления (фиг. 4а и ба) изменяются соответственно с изменением л и числа ключей, коэффициент пересчета, равный п, и количество выходов кольцевых пересчетных схем, а также сумматоров и детекторов и количество ячеек фазо-импульсной модуляции. При увеличении числа временных интервалов I в полупериоде -у увеличивается число вторичных обмоток и связанных с ними демодуляторов согласно уравнению и, следовательно, количество ключей, коммутирующих обмотки. В структурных схемах систем управления (фиг. 46 и 66) изменяются соответственно с изменением I и числа ключей, коэффициент пересчета, равный I, и количество выходов кольцевых пересчетных схем, а также сумматоров, детекторов и количество ячеек фазо-импульсной модуляции.

Таким образом, предложенный способ преобразования частоты позволяет применить простые схемы, комплектуемые известными функциональными узлами и элементами. Способ осуществляет промежуточное преобразование переменного однофазного напряжения не в постоянное, а в переменное однофазное напряжение другой формы той же или повышенной частоты,

что позволяет исключить фильтры или значительно уменьшить их установленную мощность. Необходимость применения фильтров или их отсутствия обусловливается техническими требованиями к конкретному преобразователю по динамическим, массо-обьемным характеристикам и качеству электроэнергии. Например, если требуется обеспечить высокое быстродействие, точность выходных параметров преобразователя в динамике и одновременно заданное достаточно высокое качество электроэнергии (формы кривой выходного напряжения), то в этом случае необходимо ослабить или полностью исключить фильтры, но увеличить число интервалов п и I, на

которые разбиваются полупериоды -s- и

-у , что обеспечивается увеличением числа

я-гек делителя напряжения (или депигеля - . юдулятора при h fi) и демодулятора на- r i. з.кения.

Таким образом, применение предло- / емного способа в преобразователях, питающихся от однофазной сети переменного тока, позволяет улучшить динамические ха- пч теристики преобразователей при одновременном сохранении высокого качества электроэнергии.

Формула изобретения Способ преобразования частоты переменного тока, при котором преобразовывают входное однофазное синусоидальное напряжение uv с амплитудой Uvm и частотой fi в квазипрямоугольные напряжения разной величины частотой f2, из которых после преобразования формируют многоступен- огое квазисинусоидальное напряжение частотой fa, при этом путем пл-кратного повторения этих операций с фазовым сдви2л ,ж

юм на - образуют m-фазныи выход,

отлич ающийся тем, что. с целью улучшения динамических характеристик процесса преобразования при сохранении качества выходного напряжения, разбивают каждый полупериод входного напряже- ния uv, на п одинаковых временных интервалов, где п - целое число, кратное шести, при этом начало первого интервала совпадает с началом полупериода, затем разбивают по уровню напряжение uv на составляющие напряжения UIM на каждом i-м

интервале от второго по - -и, где М - номер

,оставляющей, так, чтобы либо среднее значение каждой составляющей иш. которую

образуют на I-м интервале, где , 3; М 2,

п

3 при и 1

п 1 п 0 п .. i 6+1 6 +2 2

„ л

И при , либо сумма средних значений двух составляющих иш1, и U1M2, которые одновременно формируют на i-м интервале

,, п . ,, п Mi g- -1+I;

при , где I-2,...

+1-1, были равны разности среднего значения напряжения uv на i-м интервале и среднего значения его на предыдущем

интервале, а на каждом интервале от ( -

+1)-го по (п-1)-й напряжение uv разбивают по уровню так, чтобы либо среднее значение составляющей ищ на I-м интервале, формирование которой прекращают на IH-м ин

тервале, где , 5; 1, 2 при и i 0

41 | п:МЧ- 5

при , либо сумма средних значений двух составляющих ЩМ1, U1M2 при на i-м интервале, фор мирование которых прекращают на 1 + 1-м

53

интервале, где 1 - п+1, . , n-1;Mi п - I

i i

2

были равны разности среднего

значения напряжения uv на I-м интервале и среднего значения его на последующем интервале, причем при операции разложения Uv на составляющие UIM среднее значение составляющей напряжения с номерами 1,...,

-1 равно среднему значению составляю2щей с номерами соответственно п-1

, затем преобразуют частоту fi формируемых составляющих иш в частоту . получая напряжения итм, модулированные по амплитуде напряжениями иш, а затем изменяют мгновенные значения напряжений игим частотой Т2 в разное в зависимости от М и J число KMJ раз, получая напряженияигпм , одинаковые при одном и том же

J, затем из напряжений UiW формируют напряжения итгш соответствующих величины и частоты f2, выделенные значения по модулю которых на каждом полупериоде T 2

пряжения вида меандр, при этом коэффициенты изменения KMJ задают по выражению

KMJ -п-- i где U2Jcp -среднее значение составляющей U2J выходного квазисинусоидального напряжения частоты fa на

представляют квазипрямоугольные наТз

полрабочей части ее полупериода -яучаемой из напряжения итгш частотой h путем преобразования частоты указанного напряжения в частоту fa, а также соответствующего изменения длительности и фазы; UiMcp - среднее значение составляющей UIM напряжения Uv на рабочей части ее полTi

упериода -я- . мгновенное значение напряжения итгш. составляет . затем осуществляют формирование многоступенчатого квазисинусоидального напряжения путем суммирования соответствующих для каждой фазы напряжений U2J.

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике. Целью является улучшение динамических характеристик процесса преобразования при сохранении качества выходного напряжения. Способ заключается в формировании из однофазного напряжения сдвинутых между собой по фазе квазипрямоугольных напряжений, которые затем суммируют в выходной цепи. Квазипрямоугольность составляющих выходного напряжения достигается соответст- вующим периодическим, изменением коэффициента трансформации, используемого при преобразовании трансформатора и введением между полуволнами этих составляющих соответствующей длительности пауз. Предлагается также модификация способа, в которой используется промежуточное высокочастотное преобразование. 6 ил. СП С

и

и&

r

Мл

Unf-Um

UgfUgs

Unrffui. Orn b

Ј

r, t

Qotl

T, t z

Лш

Unf3

Jfo

Jhis.

fcfbn.

-VUlTLf

я шлгья

WdWJ

л

LP

Uw

LP

О-П-П-Ги

УП11

a 3

Urn

lПJnJ JШJlJl

Ftfb

LFU

rurtru--

. 2

I

fc.

4$ $11 53 IV ic 3 M

Ч - j

S &§

CVt

i DP

I

«4 «.

5 S &

§ S

11

Й4

Й

ШЈ II

1

m

Si

f

Xi

a en en en

Хь

w

tii /BijM/

Ш/дГ/

°A

а.

Синхронизация

Ш

L

ПМТ

WW77

да/ж/у

ь

Щи г. 5

107

т

Кг входам управления ключей 66, 69,72,75,78, 81,84

Ш Щ

/tfj 7Щ

#; входам управления

ключей 65 е 67; 68и 70; 71и 73; 74 и 76; 77и 79;80 иК;83и85