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 электро- энергую 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 . 1 изображены временные диаграммы напряжений для случая разбиения

полупериода -я- (частота fi) на 6 временных

интервалов,соотношения частот

f2-fi. Фрехфазного выходного напряжения и

Тз разбиения полупериода -я- на 6 временных

интервалов; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений для случая разбиения полупериода -к- на 12 временных интервалов, соотношения частот , , трехфазо ел о

&

OJ

мого выходного напряжения и разбиения полупериода на 6 временных интервалов; на фиг. 3 и 5 - принципиальные электрические схемы силовой части преобразователей с указанными парамет- рами для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 4 и 6 - структурные схемы управления указанными преобразователями.

Операции предлагаемого способа осу- ществляют в следующей последовательности:

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

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

-при преобразовании без промежуточного изменения частоты изменяют мгновен- ные значения фоомируемых составляющих DIM напряжения Uv в разное число К ш ,эаз, получают измененное напряжение . а затем квазипрямоугольное вида меандр, синфазное с Uv напряжение U T2J частотой fi, где М - номер составляющей напряжения; J - номер составляющей выходного квазисинусоидального напряжения;

-при преобразовании с промежуточным изменением частоты сначала произво- дят преобразование формируемых составляющих UiM частотой fi в напряжение UiniM частотой . а затем изменяют мгновенные значения Оп1м частотой h в разное число раз KMj и получают изменен- ные значения U пш, а затем напряжение UTTOJ частотой fz,

-преобразуют каждое напряжение Ui2J частотой f 1 или наряжение UTTOJ частотой h в квазипрямоугольную составляющую Uzj частотой fa квазисинусоидального напряжения,

-формируют из составляющих U2J квазисинусоидальное напряжение частотой fa.

На фиг. 1 а показано разбиение полупе-

риода -у на 6 одинаковых временных интервалов; б деление напряжения Uv на составляющие напряжения Un, Ui2 и Uia: в - изменение мгновенных значений напря- жений в разное число.раз, получе- ние напряжений UJi - Ыз и формирование из них квазипрямоугольных напряжений UT21-UT28 вида меандр с волнистыми вершинами (напряжения отличаются от UT21 только величиной); г - преобразование напряжений UT2i4JT2e частотой fi в ква- эипрямоугольные напряжения частотой fa; д - формирование линейных

напряжений UAB, UBC, UCA из напряжений U21-U26 (напряжения UAB. UBC не показаны).

Согласно фиг. 16 и принципу деления напряжение Uv на первом интервале 0-11 содержит одну составляющую напряжения Un, мгновенное значение которой равно исходному, т.е. , на втором интервале - две составляющие напряжения Un и Ui2, сумма которых равна исходному напряжению, т.е. Un+Ui2 Uv, на третьем и четвертом интервалах - три составляющие Un, Ui2 и Ui3, сумма которых равна-исходному напряжению, т.е.- Un+Ui2+Ui3 Uv, на пятом интервале две составляющие Un и Ui2, сумма которых равна исходному Uv, т.е. Un+Ui2 Uv, а шесTiтом интервале ts --«-одну составляющую

Uit. равную исходному значению, т.е. Un Uv. При этом среднее напряжения Un, которое образуется на первом интервале, равно среднему значению напряжения Uv

на этом интервале, т.е. среднее значение составляющей напряжения Ui2. образующейся на втором интервале, равно разности средних значений Uv на втором и

первом интервалах, т.е. Ui2cp ui$ - uicp1. и остается постоянным на интервалах формирования t2, t3, t4 и ts, среднее значение со- ставляющейнапряженияUi3,

образующейся на третьем интервале, равно разности средних значений напряжения Uv на 3-м и 2-м интервалах, т.е.

Ui3cp uicp - uicp1 и остается постоянным на интервалах формирования хз и м, среднее значение составляющей напряжения Ui2, формирование которой прекращается на 6-м интервале, равно разности средних значений Uv на 5-м и 6-м интервалах, т.е.

Ui2cp Uvcp1 -uicp1, среднее значение напряжения Ui3, формирование которого прекращают на 5-м интервале, равно разности средних значений Uv на 4-м и 5-м интервалах, т.е. Ui3cp Uvc - (, а среднее значение напряжения Un, для которого б-й интервал является последним интервалом

формирования, равно UnCp ulq5«

Мгновенные значения составляющих напряжений Un, Ui2, Ui3 согласно фиг. 1в изменяют и формируют из измененных напряжений квазипрямоугольные, синфазные с Uv напряжения , количество которых определяется числом составляющих трехфазной системы квазисинусоидальных напряжений частотой fa (шесть на фиг. 1). Мгновенные значения напряжений Un, Ui2,

Un изменяют для формирования напряжения UT21, показанного на фиг. 1в, в Kn, K21 и «31 раз, получая одинаковые напряжения

uli(i),ul2(i),Ub(i), равные UT21 на соответствующих интервалах, для формирования напряжения Кт22 в «12, К22 и Кз2 раз, получая одинаковые напряжения

иЬ(2),Ы2(2),и1з(2) , равные UT22. Аналогично изменяют составляющие напряжения Uv и для формирования остальных напряжений UT23 UT26- При этом каждый коэффициент изменения напряжения равен отношению среднего значения формируемого напряжения UT2J за полупериод -у- , равного среднему значению квазипрямоугольного напряжения Uaj частотой fa на рабочей часТз

ти полупериода -к- , являющегося составляющей 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 момент 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 1 в квазипрямоугольные наряжения частотой fs разных фаз и одной и той же величины, что и напряжения соответственно . Формируют линейные многоступенчатые квазисинусоидальные напряжения частотой тз:идв - из напряжений U21, U22, U25 и U26, Dec -из

U23-U26; UCA-H3U21-U24(UABH L/BC НЭфИГ.

1д не показаны).

На фиг. 2а показано разбиение полупе- Ti

риода

на 12 одинаковых временных

интервалов; б - деление напряжения Uv на составляющие Un-Uie; в - преобразование частоты fi составляющих напряжений Un- Uie в частоту f2, и получение напряжений Umi-Uni6; г - изменение мгновенных значений напряжений Unn- Unie частотой f2 в разное число раз, получе- ние напряжений Unn-Uni6и

формирование из них напряжений UTTOI- Утп2б частотой f2 (напряжения итп22 итп2б отличаются от UTTOI только величиной ); Д преобразование напряжений итп21-1)тп2б частотой f2 в квазипрямоугольные напряжения с волнистыми вершинами частотой f3, e - формирование линейных напряжений UAB - из напряжений . U22, - U25 и U26, UBC - из напряжений , UCA

-5 из напряжений U21-U24 (UAB. UBC на фиг. 2е не показаны).

Согласно фиг. 26 и принципу деления напряжение Uv на 1-м интервале О-ti содержит одну составляющую напряжения

10 Un, равную . на втором интервале - две составляющие напряжения Un и Ui2, сумма которых равна исходному напряжению, т.е. Uii+Ui2 Uv, на третьем , четвертом t3-t/i, пятом , шестом

5 интервалах число составляющих растет соответственно до трех, четырех, пяти и шести и сумма их на каждом интервале также равна напряжению Uv. На седьмом интервале сумма и число составляющих такие же.

0 как и на шестом Далее количество составляющих на интервалах восьмом , девятом t8-t9. десятом tg-tio, одиннадцатом j падает соответственно до пяти, четырех, трех и двух и сумма составляющих рав5 на напряжению Uv. На двенадцатом

П

интервале tn - , напряжение Uv содержит одну составляющую Un, т.е. . При этом среднее значение напряжения 0 Un, которое образуется на первом интервале,- равно среднему значению напряжения

Uv на этом интервале, т.е. Uncp lAc|5 и остается постоянным на интервалах от 1-го до 12-го, среднее значение напряжения Ui2, образующееся на втором интервале, равно разности средних значений напряжения Uv на втором и первом интервалах, т.е.

Ui2cp ulcp - Uvc/ и остается постоянным на 0 интервалах от второго по одиннадцатый, средние значения напряжений Ui3, Ui4, Uis и Uie, образующиеся соответственно на 3- м, 4-м, 5-м и 6-м интервалах, равны

Ui3cp U@-U© ; Ui4Cp U$-U@ :

5 Uiscp-иЩ - U© ; Ui6cP u $ - U@ и остаются постоянными на интервалах с 3-го по 10-й, с 4-го по 9-й, с 5-го по 8-й, с 6-го по 7-й. Средние значения напряжений Uie, Uis. Uu,

Q Uran Ui2. формирование которых прекращается соответственно на 8-м, 9-м, 10-м, 11-м, 12-м интервалах, равныШбср U@ - ui ;Ui5cp U® - и(г{; .Ui4cP U® - u($;Ui3cP иф- иЦР

Ui2cp Двенадцатый интер вал является последним интервалом формм рования напряжения Un, поэтом;,

Uiicp . . Напряжения Un-Ui, частотой fi преобразовывают согласно фиг

5

2в в напряжения Unn-Urm частотой f2, с теми же мгновенными абсолютными значениями, что и напряжения Un-Uie. Мгновенные значения напряжений Umi-Uni6. как это показано на фиг. 2г. изменяют и из измененных напряжений Unn- Ume с паузами той же длительности, что и в

напряжениях Uii-Ui6 (от 0 до -r Ti), формируют напряжения итп21 итп2б без пауз частотой h, количество которых определяется числом составляющих трехфазной системы квазисинусоидальных. напряжений частотой fa (шесть на фиг. 2д). Мгновенные значения напряжений Umi-Uni6 изменяют для формирования напряжения 11тп21 в Кц- Кб1 раз, получая одинаковые напряжения (1)....Unie(i) равные Uinaj. для формирования 11тп22 в Ki2-Ke2 раз, получая

одинаковые напряжения ufm(2)иЛ1б(2).

равные 11тп22. Аналогично изменяют Umi Uni6 для формирования остальных напряжений 1)тп23-итп2б. При этом каждый коэффициент изменения напряжения равен отношению среднего интегрального абсолютных значений формируемого напряжения, равного среднему значению квазипрямоугольного напряжения частоты

f3 на рабочей части полупериода -у , являющегося составляющей квазисинусоидального напряжения, к среднему значению соответствующей составляющей напряжения Uv на рабочей части полупериода -у .

Ток. обусловленный каждым из напряжений итп21 итп2б равен сумме приведенных токов, обусловленных теми измененными составляющими из Urin - иЛте . 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. 2д преобразуют напряжения итп2Г 11тп2б разной величины и частотой f2 в квазипрямоугольные напряжения U21-U26 частотой fa и разных фаз, по величине соответствующие напряжениям итп.21-итп2б.

Согласно фиг. 2е формируют многоступенчатые квазисинусоидальные линейные напряжения частотой fa: DAB - из напряжений Dai, U22, U25 и U26, UBC из напряжений U23-U26; UCA - из напряжений U21-U24.

В случае , разбиения полупериода

-у на шесть временных интервалов (),

более низкой частоты на выходе Ь fi и

разбиения полупериода -у также на

шесть временных интервалов () для того, чтобы удовлетворялось приближенное условие квазисинусоидальности выходного напряжения: п I

Ti

у- , предложенный

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

Устройство содержит один транформа5 тор 1 с тремя первичными 2-4 и шестью вторичными 5-10 обмотками. Последовательно с перви ными обмотками 3 и 4 включены рабочие выводы ключей 11 и 12 переменного тока. Параллельно цепи: об0 мотка 3- ключ 11 подсоединен ключ 13 переменного тока, параллельно цепи обмотка 4- ключ 12 включен ключ 14. Обмотка 2 и указанные цепи обмоток 3 и 4 и ключей соединены последовательно и включены на

5 напряжение Uv. Вторичные обмотки 5-10 своими выводами соединены с рабочими выводами ключей переменного тока соответственное обмотка 5 - с ключами 15 и 16, обмотка 6 - с ключами 17-19, обмотка 7 - с

0 ключами 20 и 21, обмотка 8 - с ключами 22-24, обмотка 9 - с ключами 25 и 26. обмотка 10 - с ключами 27-29. Вторые выводы двух или трех ключей, связанных с одной и той же вторичной обмоткой, образуют один

5 выходной вывод демодулятора (ДМ). Вторым выходным выводом ДМ является средний вывод вторичной обмотки. Два последовательно соединенных ДМ с обмотками 5, 6 образуют фазу А; с обмотками 9 и

0 Ю - фазу В;с обмотками 7 и 8 - фазу С.

Согласно структурной схеме на фиг. 4а система управления ключами 11-14 содержит задающий генератор 30, управляющий кольцевой пересчетной схемой 31, приме5 ненной в качестве фазорасщепителя. Выходные напряжения узла 31 суммируются в сумматоре 32, затем выпрямляются в детекторе 33 и подаются на управляющие входы ключей 11-14. Задающий генератор 30 син0 хронизируется источником переменного тока. На фиг. 46 показана структурная схема системы управления ключами 15-32, которая содержит задающий генератор 34, синхронизируемый в случае необходимости

55 (для снижения коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения) источником переменного тока частотой fi, кольцевую пересчетную схему 35 в качестве фазорасщепителя, к трем выходам которой

подключены первые входы фэзоимпульс- ных модуляторов 36-38, вторые входы которых соединены с выходом формирователя 39 прямоугольного напряжения, включенного на выводы источника переменного тока частотой fi. Выходы модуляторов подключены к управляющим входам (попарно) ключей 15, 16. 20, 21, 25 и 26. Остальные три выхода узла 35 соединены с входами двух сумматоров 40 и 41 с выходными напряжениями различного заполнения частотой Гз. С первого сумматора выходные напряжения подаются через детектор 42 на управляющие входы ключей 18, 23 и 28, а с второго сумматора выходные напряжения подаются на первые входы фазо-импульс- ных модуляторов 43-45, вторые входы которых соединяются с выходом формирователя прямоугольного напряжения меандр 39, включенного на напряжение Uv. Выходы мо дуляторов подключены к управляющим входам пар ключей 17 и 19, 22 и 24, 27 и 29.

Разбиение каждого полупериода

на шесть временных интервалов, как это показано на фиг. 1а, осуществляется ключами 11-14 переменного тока в соответствии с временными диаграммами напряжений управления (фиг. 1е). На первом интервале , начало которого совпадает

с началом полупериода (фиг. 1а), ключи 14 и 13 замкнуты, а ключи 11 и 12 разомкнуты и обмотка 2 включена на напряжение Uv. На втором интервале ti-t2 размыкается ключ 13, замыкается ключ 11 и возросшее напряжение Uv делится между последовательно соединенными обмотками 2 и 3. Поскольку отношение чисел витков обмоток 3 и 2 выбирается равным отношеи@-ий

нию

аз

vST

то среднее значение напряжения Ui2cp на обмотке 3 равно

Ui2cp u($-u(cfl v5 UiiCp. На третьем интервале размыкается ключ 14, замыкается ключ 12 и еще большей величины напряжение Uv делится между последовательно соединенными обмотками 2-4. Поскольку отношение витков обмоток 4 и 2

и@-иЙ

0ЈГ

среднее значение напряжения 1Нзср на обмотке 4 равно Ui3cp ui$ - Uitcp На четвертом интервале состояние ключей не меняется, поскольку среднее значение напряжения Uv такое же, как и на третьем интервале, поэтому остаются вклюпринимается равным

1 .

ченными на напряжение Uv три обмотки 2- 4. На пятом интервале t/i-ts напряжение Uv меньше,размыкается ключ 12. замыкается ключ 14, исключается из цепи последова- 5 тельно включенных обмоток обмотка 4, напряжение Uv делится между обмотками 2 и 3. При минимальном напряжение Uv на iueTIстом интервале t5 я- разомкнут ключ 11,

10 замкнут ключ 13 и напряжение Uv приложено к одной обмотке 2.

Формируемую составляющую напряжения Uv представляет напряжение на обмотке на тех интервалах, на которых к обмотке

15 приложены часть или полное напряжение Uv. На остальных интервалах вследствие трансформаторной связи имеется наведенное напряжение на отключенной от напряжения Uv обмотке, однако она не участвует

20 в передаче энергии из первичной цепи во вторичную. Составляющие Un, Ui2, Ui3 напряжения Uv показаны на фиг. 16.

Изменение мгновенных значений составляющих напряжения Uv осуществляет25 ся также трансформатором, при этом в соответствии с изложенным принципом действия, как это показано на фиг. 1в, получаются одинаковые измененные значения,

соответствующих составляющих на каждом интервале (Un и Ui2 на втором интервале. иЬ иЬ иЬ на третьем и четвертом интервалах и т.д.). приложенных к одной и той же вторичной обмотке, напри35 мер, 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 за40 тем от трех обмоток на четвертом интервале до одной на шестом, т.е. всегда имеется от

п ,,n -f 1 ,

одной до (четное п) или (нечетное п) обмоток, через которые передается

45 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 зна50 чение напряжения одинаково на разных инА -Ti

тервалэх рабочей части полупериода -у- ,

то одинаковыми на всех интервалах полупериода являются средние значения напряже- 55 ния UT21 на обмотке 5. Сформированное напряжение обмотки 5 получается квазипрямоугольной формы и оно тем ближе к прямоугольному, чем больше число интервалов в полупериоде. Такой же формы, но

30

другой величины являются сформированные напряжения UT22-UT26 на остальных вторичных обмотках 6-10.

Преобразование напряжений на обмотках 5-10 частотой fi в квазипрямоугольные напряжения частотой тз с разными фазами и паузами осуществляется с помощью шести демодуляторов, выполненных на ключах 15-29. В результате 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 , обозначаемые

U2vcp, связаны с амплитудой основной гармоники выходного линейного напряжения преобразователя U/imi , числом временных интервалов I и номером группы v , объединяющей вторичные обмотки трансформатора с одинаковым числом витков, следующим уравнением:

/3cos2(v-1 +|)

л о Я

U2vcP-2Unmi Јcos2(v-1 +)# -J

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

Если на выходе преобразователя требуется одна фаза, достаточны четыре вторичные обмотки с напряжениями, например, UT23-UT26 и четыре демодулятора на ключах 20-29 с выходными напряжениями U23-U26. Возможно уменьшение числа обмоток и демодуляторов до трех. Однако в этом случае увеличивается количество их исполнений с двух до трех.

На входы ключей 11-14 подаются управляющие напряжения Uyn-Uyi4 частотой 2f 1 (фиг. 1е), образованные с помощью узлов 30-33 (фиг. 4а) и представляющие собой абсолютные значения сумм или разностей выходных напряжений кольцевой пересчетной схемы Ucp.12. Ucp.i3, Ucp.15 и Ucp.16 вида меандр:

Uy11 IUcp12- Ucp16l Uy12 |Ucp13 Ucp15

U у13 IUCpi2 + Ucpiel

U y14 (Ucp13 + Ucpisf .

Ключи 15. 16, 20, 21, 25 и 26 трех демодуляторов управляются напряжениями Uyi5. Uyie. U/20. Uy2i, Uy25, Uy26, представля- ющими собой модулированные по фазе нэ- пряжения (фиг. 1ж), модулируемой функцией является напряжение прямей

угольной формы (вида меандр) Ucp.n формирователя 39, синфазное с напряжением Uv, а модулирующими функциями - выходные напряжения кольцевой пересчетной схемы UCp2i, UCp23, UCp25 также вида меандр и частотой fa. Указанные напряжения управления равны:

U У15 -Uy16 2 Ucp21 Ucp.n;

U -Uy21 2 Ucp23 Ucp.n:

U У25 -Uy26 2 Ucp25 Ucp.n:

Ключи 18, 23 и 28 остальных демодуляторов управляются напряжениями Uyie, Uy23 и Uy28, которые образуются после детектирования сумм или разностей напряже- ний UCp22, UCp24, UCp26 кольцевой пересчетной схемы (фиг. 1ж). Эти напряжения управления равны:

Uyie Шср22 + UCp26 ;

Uy23 ( Ucp 24 - Ucp22);

Uy28 lUCp26-UCp24.

На входы ключей 17, 19, 22, 24, 27 и 29 Подаются напряжения управления Uyi, Uyig, Uy22- Uy24, Uy27, Uy29, представляющие модулирование по фазе напряжения (фиг.

1ж), модулируемым является напряжение прямоугольной формы Ucp п частотой f , модулирующими - выходные напряжения сумматора 42 частотой тз, равные сумме или разности напряжений Ucp22. UCp24, UCp 26

кольцевой пересчетной схемы 35. Указанные напряжения управления равны: Uyl7 -Оу19 ( Ucp 22 -Ucp 26 ) Ucpn ; Uy22 Uy24 ( Ucp 24 HJcp 22 ) UcpH I Uy27 -Uy29 ( Ucp 26-HJcp 24 ) UcpH .

В случае промежуточного повышения

частоты от fi до f2 (например, ),более высокой частоты на выходе (например,

Тз f3 2f 1), разбиения полупериода -у на

0 шесть временных интервалов и в соответствии с этими данными для того, чтобы выпол 1 Ti,.

нялось условие п 2 I - , разбиения

Тз

Ti

на 12 временных интерполупериода „

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

Устройство содержит один трансформа

тор 46 с шестью первичными обмотками 47- 52 и шестью вторичными 53-58. Первичные обмотки своими началом, средним выводом и концом соединены с рабочими выводами ключей переменного тока соответственно: обмотка 47 - с ключами 59 и 60, обмотка 48 - с ключами 61-63, обмотка 49 с ключами 64, 65 и 66. обмотка 50 - с ключами 67, 68 и 69, обмотка 51 с ключами 70-72, обмотка 52

- с ключами 73-75. Вторыми выводами каждые два или три ключа соединены друг с другом и образуют один входной вывод каждого модулятора напряжения, вторым входом его является средний вывод вторичной обмотки.Шесть модуляторов напряжения соединены своими входами последовательно и включены на напряжение Uv. Вторичные обмотки соединены с ключами 76-90 переменного тока и образуют шесть демо- луляторов, соединенных между собой по такой же электрической схеме, как и показанная на фиг. 3.

Система управления ключами 59-75 со- гласно структурной схеме на фиг. ба содержит задающий генератор 91. синхронизируемый источником переменного тока, делитель 92 частоты, управляющий кольцевой пересчетной схемой 93, приме- ненной в качестве фазооасшепителя. Выходные напряжения ее вида меандр частотой f 1 в одном канале суммируются в сумматоре 94, затем его выходные напряжения выпрямляются в детекторе 95 и подаются на управляющие входы ключей 62. 65, 68, 71 и 74, а во втором канале суммируются в сумматоре 96. его выходные напряжения, а также одно из выходных напряжений звена 93 подаются на первые входы шести ячеек 97- 102 фазо-импульсных модуляторов, вторые входы которых соединяются с выходом задающего генератора 91. Выходы этих модуляторов подключаются к управляющим входам (попарно) ключей 59л 60, 61 и 63, 64 и 66, 67 и 69. 70 и 72, 73 и 75. На фиг. 66 показана структурная схема системы управ- ления ключами 76-90, которая содержит задающий генератор 103, синхронизируемый (при необходимости) ис- точником переменного тока и управляющий кольцевой пересчетной схемой 104. Три выходных напряжения ее вида меандр частотой fa подаются на первые входы трех ячеек 105-107 фаэо-импульсных модуляторов, вторые входы которых соединены с выходом задающего генератора 91. Выходы модуляторов подключены к управляющим входам (попарно) ключей 76 и 77, 81 и 82. 86 и 87. Остальные три выходных напряжения звена 104 в одном канале суммируются в сумматоре 108, затем его выходные напряжения выпрямляются в детекторе 109 и подаются на входы управления ключей 79, 84 и 89, во втором канале выходные напряжения эвена 104 суммируются в сумматоре 110. а его выходные напряжения подаются на первые входы трех ячеек 111-113 фазо-импульсных модуляторов, вторые входы которых соединены с выходом звена 91. Выходы

модуляторов подключены к управляющим входам (попарно) ключей 78 и 80, 83 и 85, 88 и 90.

Разбиение каждого полупериода -jнапряжения Uv на 12 временных интервалов, как это показано на фиг. 2а, осуществляется ключами 59-75 переменного тока в соответствии с временными диаграммами нпряжений управления Uy59-Uy75 (фиг. 2ж). На первом интервале 0-ti замкнуты поочередно ключи 59 и 60 (половину интервала каждый) и постоянно ключи 62, 65, 68, 71 и 74, а разомкнуты поочередно ключи 60 и 59 и постоянно - остальные ключи с номерами в указанных пределах. Следовательно, входное напряжение Un на фиг. 26 первого модулятора напряжения равно напряжению Uv. Это входное напряжение поочередно с частотой f2 прикладывается к левой и правой секциям обмотки 47. поэтому напряжение их имеет повышенную частоту f2 (напряжение Unii левой секции на фиг. 2в). Таким образом осуществляется преобразование напряжения частотой fi в напряжение Unii частотой f2. На втором интервале ti-t2 замкнуты поочередно ключи 59 и 60, 61 и 63 и постоянно ключи 65, 68, 71, 74, а разомкнуты поочередно ключи 60 и 59, 63 и 61 и постоянно - ключи 62, 64, 66. 67, 69, 70, 72, 73 и 75. Напряжение Uv делится между входными напряжениями Un и U12 частотой fi (см. фиг. 26) первого и второго модуляторов, которые одновременно преобразуют указанные напряжения в напряжения соответственно Unii, Uni2 частотой f2 (на фиг. 2в напряжения левых секций обмоток 47 и 48). Поскольку средние значения напряжения Un на первом и втором интервалах одинаковы, то есть UWep , a отношение чисел витков обмоток 48 и 47 принимается равным отношению

и@ - и(Д иЙ

напряжения Ui2 равно Ui2cp

U© - uQ KiUiicp; Uiicp ukH . На третьем интервале t2-ta замыканием и размыканием соответствующих контактов обеспечивается деление напряжения Uv между входными напряжениями частотой fi (фиг. 26) 1-го, 2-го и 3-го модуляторов, на выходах которых образуются напряжения частотой h (на фиг. 2в , напряжения левых секций обмоток 47-49). Поскольку средние значения входного напряжения каждого модулятора одинаковы на всех интервалах, а отношение чисел витков обмоток 49 и 47

Ki

то среднее значение

принимается равным

иЭ-ulc) „

- .

иЖ

то среднее значение напряжения 1Нз равно

Ui3cp uic|4- Ы$ K2Uncp. На четвертом, пятом и шестом интервалах по указанному принципу определяют отношения чисел витков обмоток соответственно 50 и 47, 51 и 47, 52 и 47 и находят средние значения напряжений Ui4-Uie, а значит мгновенные значения указанных напряжений, а также напряжений ип14-11п1б(фиг. 26, в). На седьмом интервале состояние всех ключей не меняется, поскольку среднее значение Uv такое же. как на шестом интервале. Поэтому напряжение Uv делится между всеми шестью модуляторами. На восьмом-одиннадца- томинтервалахпосредством

соответствующего переключения ключей изменяется число модуляторов, включенных своими входами последовательно на напряжение Uo , в пределах от пяти на восьмом интервале до двух модуляторов на одиннадцатом. Таким образом, можно найти мгновенные значения входных и выходных напряжений всех модуляторов на седьмом -двенадцатом интервалах (см. фиг. 26, в).

Изменение мгновенных значений составляющих U 1м напряжения Uv после преобразования их частоты fi в частоту г и образования таким образом напряжений Uniw производится с помощью трансформатора 46. При этом получаются одинаковые измененные значения соответствующих составляющих напряжений частотой f2 на каждом интервале ( и на втором

интервале, Unn - Uni3 на третьем интервале и т.д. ,фиг. 2г), приложенных к одной и той же вторичной обмотке (например, 53 на фиг. 5). Число модуляторов, входные напряжения которых являются составляющими напряжения Uv. различно на разных интервалах и меняется от одного на первом интервале до шести на шестом, а затем от шести на седьмом интервале до одного на двенадцатом, т.е. всегда имеется от одного

до (четное п) или (нечетное п)

модуляторов, через которые передается энергия из сети в обмотку 52. Поэтому сформированное напряжение на вторичной обмотке итп.21 не имеет пауз, а является непрерывной временной функцией с частотой f2. Так как среднее значение входного напряжения каждого модулятора одинаково на всех интервалах рабочей части полTiупериода -к- , одинаковыми на всех

интервалах являются средние интегральные абсолютных значений напряжения на обмотке 53. Напряжения итп22 итп2б на остальных вторичных обмотках 54-58 также

являются непрерывными временными функциями и отличаются от напряжения на обмотке 53 только величиной.

Преобразование напряжений итп21 итп.26 частотой f2 на обмотках 53-58 в ква0 зипрямоугольные напряжения U21-U26 частотой fa разных фаз и длительностей рабочей части полупериода - (фиг. 2д) осуществляется с помощью шести

5 демодуляторов, выполненных на ключах 7690. Средние значения напряжений U21-U26

Тз

на рабочей части полупериода определяются из приведенного уравнения. В ре0 зультате сложения соответствующих выходных напряжений демодуляторов образуются три линейных квазисинусоидальных напряжения, одно из которых (UCA) показано на фиг. 2е.

5 Возможно также построение преобразователя с однофазным выходным напряжением, имеющего, как указывалось выше, меньше вторичных обмоток и демодуляторов, а значит и ключей.

0На входы ключей 62, 65, 68. 71, 74 модуляторов подаются управляющие напряжения с соответствующими индексами (фиг. 2ж), которые образуются после выделения в детекторе 96 (фиг. 6а) абсолютных значений

5 выходных напряжений сумматора 94. Напряжения управления

U У62 HU Ср12 + Ucpml ; U Ср13 + Ucpm I ; U Ср14 + иСр1юГ ;

0 U y7i Ucpi5+Ucpi9l :

U V74 Ш со16 + Ucp18 I ;

где UCpi2 - Ucpm- выходные напряжения вида меандр кольцевой пересчетной схемы 93.

5 Остальные ключи модуляторов (59, 60, 61, 6273, 75) управляются прямоугольными напряжениями вида меандр частотой f2, модулированными по фазе выходным напряжением Ucp 11 звена 93 и выходными на0 пряжениями сумматора 96 частотой f i:

Ug 12 U cp12 Ucp112 ;

UЈ13 U Ср13- Ucpm ;

UЈ14 U cp14 - Ucp110 ; Utl5 U cp15 UCp19;

5 и Ј16 U cpie - UCp IB ;

Фазо-импульсная модуляция осуществляется в ячейках 97-102. на входы каждой ячейки подаются прямоугольные напряжения U3n частотой f2 и одно из напряжений

Шь частотой fi, выходное напряжение каждой ячейки равно произведению входных напряжений (фиг, 2ж).

На входы ключей 76, 77, 81, 82, 86 и 87 демодуляторов подаются напряжения управления Uy76. Uy77, Uy81, Uy82- Uy86, Uy87 (фиг. 2л), образованные на выходе ячеек 105-107 (фиг. 66) и представляющие собой выходные прямоугольные напряжения частотой h звена 91, модулированные по фазе выходными напряжениями кольцевой пересчетной схемы 104 Ucp 21, Ucp 23 и Ucp 25 частотой тз. Напряжения управления равны

U U у77 2Ucp21- U3ri ; U U у82 2Ucp23 Uan ,- U U У87 2Ucp25. U3n .

На входы ключей 79, 84 и 89 демодуляторов подаются напряжения управления Uy79, Uy84 и Uy89, показанные на фиг. 2л, которые образуются после выделения в детекторе 109 абсолютных значений выходных напряжений сумматора 108. Напряжения управления

U у 79 IU cp22+ Ucp26 I : U у84 I U Ср24 Ucp22 Г . U У89 |U ср26 Ucp24| ,

где Ucp 22, Ucp 24 и Ucp 26 - выходные напряжения звена 104.

Ключи демодуляторов 78, 80, 83, 85, 88 и 90 управляют выходными прямоугольными напряжениями частотой h звена 91, модулированными по фазе выходными хпрямоугольными напряжениями частотой fa звена 110, равными

UЈ22 U Ср22 - U ср26. Ur24 Ucp24+ Ucp22.- U 26 U ср26 + U ср24.

Напряжения управления составляют U U уво U«22 иэп :

U U у85 Ut24 « U3ri ; U U y90 U3ri .

При большем числе временных интерTiвалов п в полупериоде -к- растет число

первичных обмоток трансформатора (фиг. 3 и 5) согласно уравнению m j (четное п)

п + 1 .Л

или т (нечетное п) и, следовательно, число ключей, включающих и выключающих обмотки. В структурных схемах систем управления (фиг. 4а и 6а) изменяются соответственно с изменением п и количество ключей, коэффициент пересчета, равный п, и число выходов кольцевых пересчетных схем, а также сумматоров, детекторов и число ячеек фазо-импульсной модуляции. При увеличении числа временных интервалов в

полупериоде

Тз

увеличивается число вторичных обмоток d и связанных с ними демодуляторов согласно уравнению и, 5 следовательно, количество ключей, включающих и выключающих обмотки. В структурных схемах систем управления (фиг. 46 и 66) изменяются соответственно с изменением I и число ключей, коэффициент пересчета.

10 равный I, и количество выходов кольцевых пересчетных схем, а также сумматоров, детекторов и количество ячеек фазо-импульсной модуляции.

Предложенный способ преобразования

15 частоты позволяет применять простые схемы, комплектуемые известными функциональными узлами и элементами. Способ осуществляет промежуточное преобразование переменного однофазного напряжения

0 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. Необходи5 мость применения фильтров или их отсутствие обусловливается техническими требованиями к конкретному преобразователю по динамическим, массо-обьемным характеристикам и качеству электроэнергии.

0 Например, если требуется обеспечить высокое быстродействие, точность выходных параметров преобразователя в динамике и одновременно заданное достаточно высокое качество электроэнергии (формы кривой

5 выходного напряжения), то в этом случае необходимо ослабить или полностью исключить фильтры, но увеличить число интервалов п и I, на которые разбиваются

Tt Тз

Q полупериоды и , что обеспечивается увеличением числа ячеек делителя напряжения (или делителя-модулятора при ) и демодулятора напряжения.

Таким образом применение предложен5 ного способа в преобразователях, питающихся от однофазной сети переменного тока, позволяет улучшить динамические характеристики преобразования при одновременном сохранении высокого качества

0 электроэнергии.

Формула изобретения Способ преобразования частоты переменного тока, при котором преобразовыва- 5 ют входное однофазное синусоидальное напряжение Uv с амплитудой Uvm и частотой fi в квазипрямоугольные напряжения разной величины частотой f2, из которых после преобразования формируют многоступенчатое квазисинусоидальное напряжение частотой f3, при этом путем m-кратного повторения этих операций с фазовым сдвигом на

2л с

- образуют m-фазный выход, отличающийся тем, что, с целью улучшения динамических характеристик процесса преобразования при сохранении качества выходного напряжения, разбивают каждый полупериод входного напряжения Uv на п одинаковых временных интервалов, где п - целое число, при этом начало первого интервала совпадает с началом полупериода, затем разбивают по уровню напряжение Uv на составляющие напряжения DIM на каждом i-м интервале от второго по - -и при

п + 1 . четном п и по при нечетном п, где

номер составляющей М 1, так, чтобь; среднее значение составляющей DIM , которую образуют на 1-м интервале, было равно разности среднего значения напряжения L , на 1-м интервале и среднего значения его на предыдущем интервале, а на каждом

п

2

интервале от ( тг+ 1 )

1етном п и от

. )

го по ( п -1) -и при го по ( п -1) -и при

„ ,:ечетном п разбивают по уровню это напряжение Uv так, чтобы среднее значение составляющей DIM на 1-м интервале, где М п + 1 - I,- формирование которой прекращают на ((+1)-м интервале, было равно разности среднего значения напряжения Uv на 1-м интервале и среднего значения его на последующем интервале, затем преобразуют частоту fi формируемых составляющих DIM в частоту , получая напряжения URIM , модулированные по амплитуде напряжениями Ош , а затем изменяют мгновенные значения напряжений UniM частотой h в разное в зависимости OTMnJ число КМУ раз, получая напряжения

U h 1 м, одинаковые при одном и том же J, затем из

нап ряжений U п 1 м, формируют нал ряжения UTTOJ соответствующей ввеличины и частоты гг, выделенные значения по модулю которых на каждом

полупериоде -я- представляют квазипрямоугольные напряжения вида меандр, при этом коэффициенты изменения К МУ задаю

по выражению Кму- уср

где U 2Уср UlMcp

среднее значение составляющей выходного квазисинусоидального напряжения частоты fa на рабочей частоте ее полупериода -я- , получаемой из напряжения

Urn2J частоты f2 путем преобразования частоты указанного напряжения в частоту fa, а также соответствующего изменения длительности и фазы, UiMcp - среднее значение составляющей DIM напряжения Uv н

рабочей части ее полупериода -я- , а мгновенное значение напряжения U TP2J составляет U TR2J UniM, затем осуществляют формирование упомянутого многоступенчатого квазисинусоидального напряжения путем суммирования соответствующих для каждый 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 и составляющих напряжений квазипрямоугольной формы, сфазирован- ных по основной гармонике, и в последующем их суммировании в выходной цепи. Квазипрямоугольность формы обеспечивается изменением по соответствующему алгоритму коэффициента трансформации, используемого при преобразовании трансформатора, значения которого подчинены определенным условиям. В одной из модификаций вводится промежуточное высокочастотное преобразование. 6 ил. со С

Uy,i

Ум Z/wa

Uynt

Uyg -Uitf8

Um

Um ifva

Lfifo JJga

фиг{

Jr

ч

tF

Zend)

ЯЛЛЛ-.тЛЛ-Р&л-.-рдая

T tTL-FLf 1r-t n n Fa 0Иут i/iFifi

tff/Г

ЪвКп

Tifft-T-fOlf)

-tPdF J F PiI J S b l TK f}

MfT rvr/i

-d:TJ4J JrU:bf:: LJRJ4d4J rL

tFb-

- ъгиъгь

- JbftFbFUb

тпд S/t/

- tfbFtfbfbFU4JT Rd b---HJTJTJbrLrun-rU-LTLrbFb -щг- ъкп

тпд S/t/

njU riTLrU flf f fbFL

„

- jqjqjlTinJlJT-rLrU J Ц iran

гшп-u,n u,n 2

-n n FU b-ЯЛ ЯРЪЯ-ГЬ -

fU bFld bFlfbRJbFb

tFb-

тпд S/t/

stwjT ssf7T TaKJT

n

uen

#

гшп-u,n u,n

-n n FU b ЯРЪЯ-ГЬ -

/2

w/7

Ct 9999l

r

I

v 5 H

&§ § 5

ЪШ

I1

Сингро- низаци.

-шк

ОтЗ.

фиг 5

К бходан управления ключей 6г, 65,6В J 7 Г, 74

К Агодам

у/грабленая

ключей

59,60,61

63,64,66,

6Z 69, ТО,

7г, 73, 75

ft Уходам улравлем/я клннеи 76,77, 81,82,86,87

,К Втдам -(ynp0Ј ewf ЩтАмюией ПЧ 79.8W9

К, бродам

управления

ключей

18,80,83,

85,66,30