Преобразователь частоты с непосредственной связью Советский патент 1976 года по МПК H02M5/293 

1

Изобретение относится к области преобразовательной техники, а именно к преобразователям частоты, применяемым для управления асинхронными трехфазными двигателями и может найти применение в электроприводах с упомянутыми двигателями.

Известный преобразователь частоты с непосредственной связью содержит трехфазный трансформатор и два диодных моста, зашунтированных тиристорами. В этом иреобразователе первичная обмотка трехфазного трансформатора подключена к сети переменного тока. Трехфазная нагрузка подключена к средним точкам каждой фазы, разделенной на две одинаковые секции вторичной обмотки трансформатора. Поочередное замыкание начал либо концов такой секционированной вторичной обмотки трансформатора гиунтированием упомянутых выше трехфазных мостов приводит к циклическому изменению на сто восемьдесят градусов напряжения на нагрузке. Частота основной составляющей несинусоидального напряжения на нагрузке определяется разностью частоты циклов шунтирования (коммутации) трехфазиых диодных мостов и частоты ннтаюшей сети, а наименьшая частота помехи--их суммой.

Одии из недостатков известиого преобразователя час1оты состоит в прерывистом характере тока через кажд)ю из трехфазных секций

вторичной обмотки используемого там трансформатора. Когда шунтированием одного из двух трехфазных мостов объединяются в нулевую точку одноименные зажимы одной из

двух секций трехфазной вторичной обмотки трансформатора, трехфазная нагрузка получает питание от этой секции вторичной обмотки, между тем как другая ее секция (одноименные зажимы которой в этот промслсуток

времени не зашунтированы через посредство соответствующего трехфазного диодного моста и тиристора) оказывается обесточенной. Учитывая активно-индуктивный характер реальной относительно мощной нагрузки (установка электромагнитного неремешивания жидких металлов, асинхронный электропривод и т. д.) можно утверждать, что при последующем замыкании накоротко группы одноименных зажимов другой ранее разомкнутой секции вторичной обмотки трансформатора ток в ней, плавно нарастая по экспоненциальному закону, не успеет достигнуть сколько-нибудь значительной велнчины за весьма короткий (менее десяти мнллисекунд) промежуток времепи иодключення нагрузки к этой секции. Это неудобно при питании от преобразователя относительно могцного потрсб)ггсля.

Другой иедостаток состоит в том, что при работе преобразователя па входе того трехфазиого диодного мостя, который соединен с

одноименными зажимами обесточенной секции rpex()a3iK)ii inOpHMHoii обмотки даже без учета нереходных ироцессов должно ноявиться удвоенное по величине напряжение по сравнению с соответствуюш,им напряжением на нагрузке, что приводит к повышению типовой мощности и нонижению надежности полунроводниковых элементов преобразователя.

Целью изобретения является новышение энергетических ноказателей нреобразователя. Указанная цель достигается тем, что преобразователь содержит две пары трехфазных трансформаторов, первичные обмотки каждой пары которых соединены пофазно последовательно в два треугольника, одни концы вторичных обмоток каждого из трансформаторов первой пары соединены с включенными в треугольник вторичными обмотками каждого из трансформаторов второй пары, а другие концы вторичных обмоток первой пары трансформаторов нодключены к противоноложным концам фазных обмоток асинхронного двигателя, причем каждая из соединенных в треугольник вторичных обмоток одной пары трансформаторов и дополнительных не связанных с нагрузкой вторичных обмоток другой пары трансформаторов подключена на вход соответствующего модулятора.

На фиг. 1 приведена принциниальная схема преобразователя частоты; на фиг. 2 - диаграммы переключений модуляторов.

Преобразователь частоты содержит четыре попарно одинаковых трансформатора 1-4 и четыре полупроводниковых модулятора 5-8. Каждая из вторичных обмоток 9 и 10 трансформаторов 1 и 2 соединена треугольником, а каждая из вторичных обмоток 11 и 12 трансформаторов 3 и 4 - звездой. В разомкнутую нулевую точку вторичной обмотки 11 или 12 включена соединенная треугольником соответствующая вторичная обмотка 9 или 10. Между другими одноименными зажимами вторичных обмоток 11 и 12 включены соответствующие фазы трехфазной обмотки 13 статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором 14. Первичные обмотки 15 и 16 трансформаторов 1 и 2, также как и первичные обмотки 17 и 18 трансформаторов 3 и 4 соединены пофазно последовательно в общие для них схемы треугольника.

Одноименные зажимы вторичных обмоток 11 и 12, так же как и зажимы соединенных треугольником обмоток 9 и 10 подключены на вход одного из четырех полупроводниковых модуляторов 5-8, представляющих собой трехфазные диодные мосты, анодная и катодная группа которых шунтируются соответствующим тиристором 19-22.

Если ие учитывать указанного выгне соединения вторичных обмоток 9 и 10 с модуляторами, то следует заметить, что каждая фаза обмотки 13 статора соединена последовательное такими фазами вторичных обмоток И и 12, соответствующие фазы первичных обмоток которых соединены между собой последовательно и ооразуют одну из сторон оощего для них треугольника, зажимом аждая из фаз вюричпой обмотки 11 (12) подключена к такому зажиму вторичной обмотки 10 (9), который не соединен непосредственпо с фазой треугольника вторичной обмотки трансформатора 2 (1), соответствующая фаза первичной обмотки 16 (15) которого нодключена к нитающей сети точно так же, как и соответствующая фаза первичной обмотки 17 (18), при этом угол сдвига по фазе между напряжениями соответствующих фаз, соединенных указанным образом вторичных обмоток 10 и 11 (а также обмоток 9 и 12) будет составлять

90°.

В том случае, когда заперты все тиристоры коммутаторов, напряжение на зажимах каждой фазы обмотки двигателя равно нулю изза идентичности характера соединений соответетвующих фаз как обмотки 10 с обмоткой 11, так и обмотки 9 с обмоткой 12, а также из-за взаимно встречного характера соединения соответствующих фаз обмоток 11 и 12 (9 и 10).

Из принципиальной схемы нреобразователя следует, что открытому состоянию тиристора 20 соответствует короткое замыкание вторичной обмотки 10 трансформатора 2, вэтoм€лyчае входное сопротивление первичной обмотки 16 будет чрезвычайно малым и потому практически все напряжение питающей сети будет приложено к первичной обмотке 15 другого трансформатора, на вторичной обмотке 9 которого будет тогда наибольнлее напряжение,

подаваемое через последовательно соединенную вторичную обмотку 12 к первой группе одноименных зажимов статорной обмотки 13 двигателя. При последующем отпирании тиристора 19

происходит запирацие тиристора 20 обратными напряжениями на коммутирующих конденсаторах, замыкается накоротко вторичная обмотка 9, что в конечном итоге приводит к подаче наибольшего напряжения к левой

группе одноименных зажпмов статорной обмотки 13 от вторичной обмотки 10 трансформатора 2 через последовательно соединенную вторичную обмотку 11 трансформатора 3. Аналогичные процессы перераспределения

напряжений между обмотками трансформаторов 3 и 4 происходят при поочередной коммутации тиристоров 21 и 22, щунтирующих диодные мосты 7 и 8, к входу которых подключены трехфазные обмотки 11и 12, не имеющие

электрической связи с нагрузкой (статорная обмотка 13 двигателя).

При работе предлагаемого преобразователя частоты его полупроводниковые модуляторы 5-8 переключаются согласно диаграммам

фиг. 2.

На фиг. 2,а приведена диаграмма переключений модуляторов 5-6; на фиг. 26 - модуляторов 7 и 8. Положительные импульсы соответствуют

разомкнутому состоянию модуляторов 5 п 7

(в эти отрезки времени замкнуты накоротко анодная н катодная групны модуляторов 6 и 8), а отрицательные - разомкнутому состоянию модуляторов 6 и 8(в эти отрезки времени замкнуты модуляторы 5 и 7). Из диаграмм следует, что переключение коммутаторов производится с частотой циклов так, что включенное состояние каждого из модуляторов продолжается половину времени периода коммутации, что соответствует углу л; сдвиг во времени между очередными переключениями модуляторов 5 или 6 но сравнению с модуляторами 7 и 8 составляет четвертую часть нериода коммутации, что соответствует углу.п/2. Такой закон управления модуляторами 5 и 8 реализуется использованием пересчетного делителя импульсов задатчика на четыре, а с выхода отдельных ячеек такого делителя отпирающие импульсы через усилители мощности и имнульсный трансформатор подаются на один из тиристоров 19-22 (нечетные ячейки посылают импульсы тиристору 19 или 21, а четные - тиристору 20 или 22); при отпирании очередного тиристора происходит одновременное запирание с помощью коммутирующих конденсаторов тиристора, парного ранее замкнутому модулятору.

Если выбрать чнсло витков вторичных обмоток 9 и 10, в КЗ раз большими чисел витков обмоток 11 н 12, то из диаграмм нереключений модулятора и принципиальной схемы следует, что напряжение на одной из фаз статорной обмотки асинхронного двигателя будет определяться выражением:

f/2 , (Щ cos ш( -f /,„ 1/2 (иг ) sin и/, (1)

где il (Q/) и г/2(йО-переключающие функции, для которых энюры и соответствующие им аналитические выражения приведены на фиг. 2. После подстановки этих выражений в выщепрнведенное уравнение имеем;

U, U,,,-sm(.}( + U,,,-smX

т,JTt

X (3Q + u) г + - f/« sin (5Q - ш) /f +

О+ „,-51п(70 + ш) + ....

(2)

Напряжения на двух других фазах двнгателя будут представлены аналогичными слагаемыми, сдвинутыми па угол ±120° по отношению к соответствующим слагаемым приведенного выще выражения. Выражение (2) свидетельствует о достаточно хорощем снектральном составе фазы выходного нанряжения преобразователя даже в режиме холостого хода. В связи с активно-индуктивным характером нагрузки ток в каждой фазе статора двигателя будет еще к синусоидальной

форме, поскольку ближайщая слагаемая помехи, имея относительно высокую частоту, легко подавляется.

Формула изобретения

Преобразователь частоты с непосредственной связью, нагрузкой которого является трехфазный асинхронный двигатель, содержащий трехфазные трансформаторы и трехфазные модуляторы, выполненные на трехфазных диодных мостах, щунтнрованных тиристорами, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетических показателей преобразователя, он содержит две пары трехфазных трансформаторов, первичные обмотки каждой пары которых соединены пофазно последовательно в два треугольника, одни концы вторичных обмоток каждого из трансформаторов первой нары соединены с включенными в треугольник вторичными обмотками каждого из трансформаторов второй пары, а другие концы вторичных обмоток первой пары трансформаторов подключены к протнвоноложным концам фазных обмоток асинхронного двигателя, причем каждая из соединенных в треугольник вторичных обмоток одной нары трансформаторов н дополнительных несвязанных с нагрузкой вторичных обмоток

другой пары трансформаторов подключена на вход соответствующего упомянутого модулятора. Фиг. I