Вентильный преобразователь частоты с непосредственной связью Советский патент 1977 года по МПК H02M5/27 

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - показаны временные диаграммы (а, б, в) включения вентилей, напряжения на выходе и тока, протекающего по вентилям, при частоте выходного напряжения значительно ниже частоты источника питания; на фиг. 3 - то же, при частоте выходного напряжения, Превышающего частоту источника питания. Предлагаемый преобразователь может быть предназначен для работы от однофазного и многофазного источника напряжения с однофазным или многофазным выходом. Рассмотрим для примера преобразователь с трехфазным входом и однофазным выходом, принципиальная схема которого представлена на фиг. 1. Устройство содержит входные дроссели 1, количество которых равно числу фаз источника питания, блок управляемых вентилей преобразователя 2, коммутирующий нелинейный дроссель 3, конденсатор 4, параллельно зажимам которого подключается активно-индуктивная нагрузка, например, фаза двигателя, представленная в виде последовательно включенных дросселя 5 и резистора 6. В качестве управляемых вентилей в преобразователе могут быть использованы симисторы 7-12 или встречно-параллельно включенные тиристоры, в последнем случае их число должно быть в два раза больще. Во время работы преобразователя происходит попарное включение вентилей на линейное напряжение, мгновенное значение которого выше напряжения на конденсаторе; заряд его до напряжения, нревышающего это напряжение к моменту окончания заряда; рекуперация части запасенной энергии обратно на источиик питания путем включения тех же (симметричных) вентилей, но на встречное направление (или встречно включенных тиристоров). За счет этого осуществляется модуляция напряжения на конденсаторе по любому закону, в том числе и по синусоиде, а также регулирование выходного напряжения на частотах ниже частоты источника питания. Если отношение реактивных сопротивлений (на частоте источника питания) конденсатора 4, включенного на выходе Х, к сопротивлению XL дросселей 1, включенных на входе, равно или больше квадрата эквивалентного числа фаз питающего напряжения т то период собственных колебаний L - С контура , образованного входными дросселями и выходиым конденсатором, выше межкоммутационного интервала 4 преобразователя . Т 2 ,j. tk - k т ш™ где Т - период питающего напряжения, угловая частота которого С1), am - эквивалентное число фаз питающего напряжения, равное числу коммутаций преобразователя за период при работе в выпрямительном режиме. Иначе говоря т или Т„ Поскольку .J то из (3) и (4) легко перейти к (1). Поэтому, если включение пары вентилей происходит в момент естественной коммутации в выпрямительном режнме, то к .моменту следующей естественной коммутации через интервал времени, равный 4, все вентили окажутся выключенными, а мгновенное напряжение на конденсаторе 4 ниже мгновенного значения линейного напряжения, на которое должна включиться очередная пара вентилей. Для примера рассмотрим работу преобразователя при частоте выходного напряжеиия. много меньшей частоты источника питания. Для иллюстрации этого режима на фиг. 2 приведены следующие временные диаграммы: а)включения управляемых вентилей; номер в скобках показывает направление проводимости вентилей (1)-от источиика к нагрузке, а (2) - от нагрузки к источнику; б)напряжение на конденсаторе t/ск (показано жирной линией) и мгновенные значения линейных напряжений UAB, Use, СА (показаны тонкой линией) и фазных напряжений источника НА, в, с (пунктирной). в)токи вентилей: при потреблении от источника гв , рекуперации (инвертировании на источник)-i (последние показаны затемненными); ток нагрузки на выходе преобразователя - IH. Включение вентилей 7 (1) (в направлении от источника к нагрузке) и 10 (2) (от нагрузки к источнику) в момент, прииятый за О, приводит к росту напряжения на конденсаторе (кривая t/ск) и потреблению тока от источника до тех пор, пока напряжения Иск. не превысит напряжение источника питания; ток через веитили после этого спадает до нуля и вентили запираются. Для частичного разряда конденсатора (при модуляции выходного напряжения) сразу же или с небольшой паузой включаются те же вентили, но на встречное направление тока: 7 (2) и 10 (1) и конденсатор быстро разряжается до напряжения ниже мгновенного значения линейного напряжения источника, пока ток, иротекающий по вентилям 7 (2) и 10 (1), не спадет до нуля и они не выключатся. После этого могут быть включены вентили 7 (1) и

12 (2) для заряда конденсатора, а после их выключения - вентили 7(2) и 12(1)-для разряда. Далее будут включаться вентили 9 и 12; 9 и 8; 8 и 11; 10 и 11 и, наконец, вновь 7 и 10 и т. д.

Если при включенном состоянии, например, вентилей 9(1) и 12 (2). поступил сигнал о необходимости смены полярности, то он задерживается на постоянное время задержки At после чего включается предыдущая по номерам пара вентилей 7 (2) и 12 (1) (для осуществления режима рекуперации запасенной в конденсаторе эпеогии на источник, на линейное напряжение UAC)- Вентили 7 (2) и 12 (1) выключатся после того, как мгновенное напряжение на .конденсаторе изменит знак и по абсолютному значению превысит мгновенное значение линейного напряжения. За счет тока нагрузки, направление которого еще не успело измениться, конденсатор 4 продолжает заряжаться, и напряжение на нем будет повышаться, пока ни одна из пар вентилей 7-12 не включена. Для ограничения напряжения на конденсаторе и формирования гладкой составляющей выходного напряжения преобразователя или тока нагрузки производится повторное рекуперирование энергии, запасенной в конденсаторе 4 на UAC путем повторного включения вентилей 7 (П и 12 (2). Теперь, в связи со сменой полярности выходного напряжения это направление тока будет током рекуперации (1 ), а встречное - током потребления. Поэтому оба импульса тока и ПРИ включении вентилей 7 (2) и 12 (1) и 7 (1) и 12 (2 являются импульсами тока рекуперации и зачернены. После выключения вентилей 7 (1) и 12 (2) для ускорения заряда конденсатора могут быть вновь включены те же вентили 7 (2) и 12 (2). но во встречном направлении, для рекуперации энергии на источник. Далее ПРОИСХОДИТ спадание до ну.яя тока нагрузки и изменение его направления, включаются вентили 9 (2) и 12 (I) для заряда конденсатора, а потом вентили 8 (1) и 12 (2) согласно диаграмме.

Изменением соотнощения между потребляемой и рекуперируемой конденсатором энергией регулируется среднее значение напряжения за полупериод. При росте выходной частоты преобразователя необходимо повыщать напряжение. При частотах, превьппающих частоту напряжения питания, конденсатор может одновременно подключаться к источнику питания для подзаряда тремя вентилями. Вентили, проводящие ток в одном направлении, разделены входными дросселями 1, и один из них выключится первым, а затем, после зарядки конденсатора до напряжения, превышающего амплитуду линейного напряжения, выключатся два другие.

Для иллюстрации этого режима на фиг. 3 приведены временные диаграммы (такие же, как на фиг. 2) при частоте выходного напряжения, более чем в двое превыщающего частоту напряжения питания. На фиг. 3 показано включение вентилей

7(1), 10 (2) и 11 (1). Через некоторое время выключается вентиль 11 (1), а несколько

позже и другие: 7 (1) и 10 (2). Если снижение напряжения за счет частичной рекуперации энергии не требуется, то в течение времени Лгп ни один вентиль не включается, а питание нагрузки осуществляется от конденсатора за счет запасенной в нем энергии. По прошествии времени А/п включаются вентили

8(1), 9 (2), 11 (2) на то линейное напряжение, мгновенное значение которого максимально, и происходит перезаряд конденсатора.

Предельная частота напрял ения преобразователя будет такой, при которой снижается до нуля, а в - время проводимости

вентиля - будет равно полупериоду выходной частоты, т. е. /пи (макс) 1/2-вовремя /в равно полупериоду частоты f,™ колебаний L-С контура с нагрузкой, а fun - всегда несколько выше частоты (йк.

Величина «к определяется индуктивностью дросселей и емкостью конденсатора в соответствии с выражениями (1) и (4).

При выполнении преобразователя согласно данному изобретению с многофазным выходом число конденсаторов равно числу фаз на выходе. В этом случае в отношении (1) участвует суммарное реактивное сопротивление включенных на выходе конденсаторов. Так,

9

при трехфазном выходе Хс , , где Х, -

О

емкостное сопротивлетпте каждого из конденсаторов, включенных па выходе.

Испытание данного преобразователя при питании от источника с неизменным действуг т

ющим значением напряжения и и неизменной частотой f показали возможность регулирования выходной частоты в пределах от 0,005/ до (2,8-3,3)/ и действующего значения выходного напряжения от (0,07-0,1) U при частотах (0,005-0,5)/ и до (1,8-2,5) U при частотах, близких к верхнему пределу.

Формула изобретения

50

Вентильный преобразователь частоты с непосредственной связью для частотноуправляемого электропривода, содержащий управляемые вентили с системой управления, дроссели, включенные на входе преобразователя, и конденсаторы на его выходе, отличающийся тем, что с целью упрощения и расщирения диапазона регулирования выходной

частоты, отношение реактивных сопротивлений (на частоте источника питания) конденсаторов на выходе к сопротивлению дросселей, включенных на входе, равно или больше квадрата эквивалентного числа фаз питающего напряжения.

Источники информации, принятые во внимание ири экснертизе:

1.Патент ЧССР № 136331, кл. 12/03 (Н 02d, оиубл. 1971).

2.Грабовецкий Г. В. и др. «Разработка и исследование вентильного преобразователя частоты для регулирования скорости .короткозамкиутого асинхронного двигателя. Доклад на научно-технической конференции «Состояние и нерспективы развития ироизводства и внедрение силовых полуироводниковых вентилей и преобразовательных устройств па их основе, ВНИИЭИ, М., 1966.

:I

rwn VJnJ

1(2}7(2}

1оШ} 2fz I iztz) Ш/гЛ Ши ,,Ш ,,W1

;;7//; Ш

W) ГШ Ш

Ji2n 131211 I дел I я/гл

I/г/7 л 1/г//л I gffl I igffl I Ж