Магнито-полупроводниковый преобразователь частоты Советский патент 1980 года по МПК H02M5/27 

Изобретение относится к преобравователькой технике и может использоваться в электротехнических преобразовательных установках ri системах электропривода.

Известны статические вентильные преобразователи частоты с непосредственной связью и принудительной (искусственной) коммутацией вентилей, в которых каждая фаза нагрузки подключается к фазам питающей сети или к выводам преобразователя числа фаз циклически через равные промежутки времени 1 и 2.

Недостатки указанных преобразователей - -сравнительная сложность схем из-за значительного количества управляемых элементов, например тиристоров в силовой схеме и в узлах принудительной коммутации; сложность управления, так как такими элементами необходимо управлять в определенной последовательности (многоканальное управление); отличие частоты управления от выходной частоты, что приводит к необходимости вводить в преобразователь дополнительные устройства для сравнения частоты питания с требуемой

частотой и выработки по результатам этого сравнения управляющих сигналов; относительный диапазон изменения частоты управления должен быть шире, чем выходной частоты, что также усложняет систему управления .

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является

10 магнитно-полупроводниковое устройство, содержащее подключаемые к многофазной сети идентичные трансформаторы с магнитосвязанными сердечниками, число которых кратно чис15лу фаз сети,причем одна из обмоток каждого трансформатора подключена к вентилям и к управляемому ключу 3 .

Это устройство содержит значи20тельно меньше yпpaвляe иx ключевых элементов.

Однако оно также сравнительно сложно .

25

Цель изобретения - упрощение преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что одни одноименные концы упомянутых обмоток объединены в одну точку, другие концы через иден30

тично включенные вентили - в другую точку, а управляемый ключ включен между этими точками.

На фиг. 1 изображена схема нитно-полупроводникового элемента; на фиг, 2 - график работы магнитнополупроводникового элемента; на фиг. 3 - пример выполнения схемы преобразователя с многофазной и однофазной нагрузками; на фиг. 4 ГОКИ цепей;., на фиг, 5 - график магнитных потоков трансформаторов; фиг. 6 поясняет работу преобразователя на двигательную нагрузку; на фиг. 7 - пример выполнения схемы преобразователя с однофазной нагрузкой.

Магнитно-полупроводниковый элемент представляет собой управляемый трансформатор, содержащий первичную обмотку 1, подключенную через нагрузку 2 к источнику синусоидального напряжения угловой частоты м, Еторичную обмотку 3 и обмотку 4 управления, замкнутую вентилем 5 и полностью управляемым ключом 6 (например транзистором). Сопротивление нагрузки 2 много меньше индуктивного сопротивления обмотки 1, если сердечник трансформатора не насыщен и много больше, если сердечник нас|ыщен. Кривая намагничивания сердечника трансформатора - зависимость Цагнитного потока Ф от намагничивающей силы F - близка к прямоугольной и изображена (фиг. 2) кривой 7. Если нагрузка к обмотке 3 не подключена, то при разомкнутом ключе 6 viepe3 нагрузку 2 течет незначительный ток намагничивания, а магнитный rioTOK сердечника изменяется синусоидально, как показано на фиг. 2 кривой 8. Максимальный поток Ф„ ненасыщенного трансформатора выбирается немногим меньше потока насыщения Ф, как показано на фиг. 2. При постоянно замкнутом ключе б вентиль 5 обуславливает самонасыщение трансформатора, падение напряжения на обмотке 1 незначительно и практичес ки все напряжение приложено к нагрузке 2. Полупериод 3t , в течение которого вентиль 5 может проводить ток, является рабочим;второй полупериод, когда вентиль не проводит, является нерабочим. Коммутация ключа 6 влияет на работу схемы практически только в рабочем полупериоде .

Если в момент ujt.--d рабочего псшуперйода, когда магнитный поток сердечника равен Ф, замкнуть ключ 6, то обмотка управления замыкается накоротко через проводящий вентиль. Так как падение напряжения на проводящем вентиле незначительно,магнитный поток практически nepecTSieT изменяться, как показано на фиг.2 кривой 9. При этом через вентиль

течет ток, показанный кривой 10.Так как после замыкания ключа индуктивное сопротивление обмотки 1 становится незначительным, по нагрузке 2 течет ток i , показанный на фиг.2 кривой 11.

Если ключ 6 остается замкнутым до конца рабочего полупериода, то после изменения знака приложенного напряжения в момент u/t--тс вентиль 5 перестает проводить и цепь управления практически размыкается. Магнитный поток.сердечника начинает возрастать, достигает к моменту uul (Л-vd значения потока насыщения Фд и дале изменяться не может до конца периода. Поэтому от момента ) до конца периода по нагрузке 2 опять течет ток, В интервале 1Г г.тг ключ 6 размыкается и далее процесс повторяется. Если ключ 6 размыкается в нерабочем интервале, т.е. без разрыва цепи, то магнитный поток и ток в нагрузке 2 изменяются так, как показано на фиг, 2 сплсхиными кривыми 9 и 11, а сердечник перемагничивается по частному циклу от Фд до Ф. В этом режиме схема (фиг. 1) работает аналогично магнитно-вентильному усилителю.

Если же ключ 6 размыкать в момент ai--p , когда вентиль находится в проводящем состоянии, то с этого момента до конца рабочего полупериода магнитный поток уменьшается до значения Ф и далее возрастает как показано на фиг, 2 пунктирным продолжением кривой 9; насыщение наступает позже момента ш1 (JC+ot) , Соответственно ток1„в нагрузке 2 течет меньший интервал времени, как показано на кривой 11 пунктиром,Таким образом, при размыкании ключа с разрывом тока сердечник перемагничивается по частному циклу от Фд до Ф , а кривая тока в нагрузке 2 несимметрична.

Проанализировав работу одного управляемого трансформатора, рассмотрим схему преобразователя (фиг. 3). Он содержит восемь идентичных управляемых трансформаторов, первичные обмотки 1 которых подключены через нагрузки 2 к источнику питания, а вторичные обмотки 3 соединены последовательно, образуя выходную обмотку Н-Н, Обмотки 4 управления соединенные с вентилями 5, подключены параллельно к одному полностью управляемому ключу 6, Преобразователь подключен к восьмифазному источнику напряжения с нулевым проводом (обозначен О).

Работу схемы фиг. 3 поясняют фиг. 4 и 5. Сплошными синусоидальными линиями (фиг. 4} показаны токи первичных обмоток трансформаторов при постоянно замкнутом ключе б, а сплошными синусоидальными линиями

(фиг, 5) изображены синусоидальные viarHHTHtJe потоки трансформаторов при постоянно разомкнутом ключе.

Рассмотрим работу восьми управляеких трансформаторов, когда ключ з.амыкается на полпериода частоты питания в интервале от uJtA -к: до Р а Интервал, в течение которого ключ замкнут, для наглядности показан горизонтально заштрихованным прямоугольником в нижней части фиг, 5. Одно деление горизонтального мааитаба на фиг, 4 и 5 равно d.-n: .

Момент ci замыкания ключа попадает для первого трансформатора в рабочий полупериод, когда вентиль находится в проводящем состоянии, а магнитный поток равен Ф, До конца рабочего полупериода uft 2.Кмагнитный поток не изменяется, как показано на фиг, 5 штрих-пунктирной линией. Поэтому в интервале по нагрузке 2 первого трансформатора течет ток, показанный на фиг, 4 штрих-пунктирной линией. После ( вентиль перестает проводить, магнитный поток возрастает и к

3t достигает значения насымен

л.

щения Ф, С этого момента до начала рабочего полупериода () пот.ок изменяться не может и по первичной обмотке опять течет ток. Далее вентиль начинает проводить, магнитный поток Уменьшается, к моменту замыкния ключа достигает первоначального .значения Ф и процесс повторяется.

Магнитный поток второгю трансформатора, показанный на фиг, 5 точечной линией, в момент ck имеет значение Ф,, . Пока вентиль проводит, т.е. до конца рабочего полупериода Л поток сердечника не изменяется, а по нагрузке 2 второго транформатора течет ток - точечная линия на фиг, 4, Далее магнитный доток возрастает, после jt сердечник насыщается и остается насыщенным до начала рабочего полупериода ол1., т.е. в интервале I И ши Tt по нагрузке опять течет ток. С момента ш Ь Л вентиль начинает проводить, магнитный поток уменьшается, достигается к моменту сЛ первоначального значения, и процесс повторяется .

Магнитный поток третьего трансформатора показан на фиг. 5 линией

кания ключа попадает в конец нера-бочего полупериода, когда сердечник насыщен. С начала рабочего полупериода поток может уменьшаться лишь на очень малую величину, напримерот Фд до Ф,,, соответствующую падению напряжения на проводящем вентиле и активном сопротивлении обмотки 4, т,е. остается практически неизменным до момента (i размыканий

ключа. В момент & вентиль находится еще в проводящем состоянии, и после разрыва цепи обмотки 4 магнитный поток уменьшается до значения Ф|, , затем возрастает, после сердечник насыщается и. процесс повторяется. Таким образом, в течение все, го периода, кроме интервала Tt Lut I Л магнитный поток третьего трансформатора не изменяется, а по его нагрузке 2 течет ток, показанный

0 линией тире-две точки на фиг.4.

Магнитный поток четвертого трансформатора показан на фиг. 5 линией два тире-точка. Момент ok попадает для четвертого трансформатора

5 также в нерабочий полупериод, когда сердечник насыщен. С начала рабочего полупериода магнитный поток может уменьшиться лишь на малую величину от Фд до Ф и не изменяется

0 цо момента р , после чего уменьшается, достигая минимума конце рабочего полупериода, и затем опять возрастает. К моментуш1 Псердечник насыщается и процесс повторяется. Таким образом, изменение пото5ка -имеет место лишь в интервале , остальную часть периода по нагрузке 2 четвертого трансформатора течет ток, показанный линией два тире-точка (фиг. 4).

0

Магнитный поток пятого трансформатора показан на фиг. 5 линией тире-три точки . Момент сх также

5 попадает в нерабочий полупериод, и . магнитный поток возрастает, достигая значения насыщения к моменту ujt- - лх и оставаясь затем постоянным, С начала рабочего полупериода U)t-2.Tr до момента поток может уменьшиться лишь на малую величину. от Фд до Ф, после чего начинает уменьшаться, в конце рабочего полупериодаш к достигает минимума (-Ф), затем возрастает, и процесс посторяется. Таким

5 образом, магнитный поток остается неизменным и по нагрузке 2 пятого трансформатора течет ток в интервале US lot |Т1 (линия тире-три точки на фиг. 4).

0

Магнитный поток шестого трансформатора, показанный на фиг. 5 линией два тире - две точки , изменяется аналогично, но так как ключ включается близко к началу нерабочего полупериода (ш1 Ti) , а выключает5ся спустя лишь малый интервал тс после начала рабочего полупериода ( К ) , сердечник успевает почти полностью перемагничиваться.. Магнитный поток не изменяется и, сле0довательно, ток по нагрузке 2 шестого трансформатора может течь лшиь в коротком интервале glt-iiuUg-K - лиS , ,

I I

два тире-две точки на

ния

5 фиг. 4.

Магнитный поток седьмого трансформатора показан на фиг, 5 мелкопунктирной линией. Значение потока (-Фд) f достигнутое к моменту СХ, остается постоянным на коротком интервале g Л и, до конца рабочего полупериода. Затем поток возрастает к моменту р достигает значения насыщения, остается неизменным до lui-j, после чего уменьшается и процессповторяется.Ток в.нагрузке 2 седьмого трансформатора течет только в двух коро.тких интервгшах-з ;1 н и |7i((tJt - как показано на фиг, 4 мелкопунктирной линией.

Магнитный поток восьмого трансформатора показан на фиг, 5 пунктирной линией. От момента ok до конца рае5очего полупериода (иН g 7Г ) поток не изменяется и по нагрузке 2 течет ток - пунктирная кривая на фиг, 4, Затем поток возрастает, в момент е, сердечник насыщается и остается насыщенным доа)-- л , В этом интервале по первичной обмотке опять течет ток. Далее поток уменьшается и процесс повторяется.

Сумма магнитных потоков всех трансформаторов - потокосцепление обмотки Н-Н, определяющее напряжени на ее зажиг - ах - показана на фиг. 5 кривой 12„ Потокосцепление содержит Постоянную составляющую, обусловленную вентилями, и переменную составляющую. Переменная составляющая имеет максимум в момент размыкания, а минимум - в момент замг 1кания клоча, ртёдовательво, изменяя положение загикнутого состояния ключа внутри периода, можно изменять фазу переменной составляющей потокосцепления и соответственно фазу наггряу; ения на зажимах Н-Н, Таким образом, преобразователь может работать фазовращателем, обеспечивая плавное регулирование фазы напряжения на зажимах Н-Н в пределах .

Если интервал замкнутого состояния ключа изменяет с-аое положение от периода к периоду частоты пихания, т.е. если частота кo iм тauии не равна частоте питания, то фаза напряжения на зажимах Н-Н также плавно изменяется, т,е, частота выходного напряжения равна частоте коммутации. Так как выходное напряжение имеет частоту и фазу, рав.ьую частоте и фазе комь утации ключа а мощность в нагрузку поступает от источника питания, преобразователь является усилителем мощности,

Ток в нулевом проводе сумма токов первичных обмоток трансформаторов -.изображенный на фиг, 4 кривой 13, представляет собой пердаодз-1ческую кривую, у которой частота и фаза основной гармоники определяется частотой переключения уп. равляемого ключа б. Следовательно,

нагрузка может быть включена и в нулевой провод,

В качестве нагрузок 2 удобно использовать фазные обмотки многофазных электрических машин, например J, асинхронных двигателей. Пусть на - статоре машины, расположены восемь фазных обмоток, витки которых синусоидально распределены по окружности статора со сдвигом на 1/8 его расточки. При питании зтих обмотрк

токами i , показ анныгуда на фиг, 4, результирующая намагничивающая сила (и при равномерном воздушном зазоре магнитное поле машины) имеет синусоидальное распределение по рас5 точке статора, как показано на

фиг, 6 для пяти последовательных моментов OTujt О дош1--| , По горизонталь 1-ой оси X на фиг, 6 отложены пространстзенные координаты стато0 Ра в угловых единицах,.

Как видно из фиг. 6, магнитное . поле многофазной магиины при питании ее от преобразователя фиг, 3 представляет собой бегуш:ую волну, поло,- жение и скорость которой определяется управлением ключом б, Следовательно„, преобразователь (фиг, 4) позволяет осущест1 ить частотное регулирование скорости привода переменного тока с помощью лишь одного управляемого элемента. Таким образом, преобрэзоватегль (фиг, 3) может использоваться для питания как многофазной, так и однофазной нагрузки .

Работа преобразователя (фиг.З) рассмотрена для простоты при питании от восьмифазного источника.Очевидно- работа его не изменяется и при питании от четырехфазного источника, еаил у половины трансформаторов изменить взаимное направление первичных и управляющих обмоток,

Еати число фаз схемьл больше числа фаз питающего напряжения, то первичные обмотки трансформаторов соединепы последовательно, образуя преобразователь числа фаз. На фиг,7 показан пример схеглы, которая как и фиг, 3 содержит восемь управляемых трансформаторов, но питается от двухфазного источника. Каждый трансформатор содержит две первичные обмотки 14 к 15, Числа витков первичных обмоток 14 распределены по сердечникам трансформаторов по синусоидальномч закону, а числа витков обмоток 15 - по косинусоидальноьту закону. При подклЮЧении последовательно соединенных обмоток 14 к перQ ЗОЙ фазе А.-Х питающего двухфазного напряжения, а обметок 15 - ко второй фазе и при разомкнутом ключе б напряжения выходных обмоток 3 образуют симметричную восьми фазную

5 систему,, т ,е в их на выходных

зажимах Н-Н равна нулю.При коммутации ключа 6 работа схемы (фиг. 7) принципиально не отличается от работы схемы, (фиг. 3).

Формула изобретения

Магнитно-п :1лупр.Оводниковый преобразователь Частоты, содержащий подключаемые к многофазной сети идентичные трансформаторы с магнитоизолированными сердечниками, число которых кратно числу фаз сети, причем одна из обмоток каждого трансформатора подключена к вентилям и к /правляемому ключу,, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью упрое I

Фи.г. f

щения,, одни одноименные концы упомянутых, обмоток объединены в одну точку, другие концы через идентично включенные вентили - в другую точку, а управляемый ключ включен с Между этими точками.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Сб. Современные задачи лреобразовательной техники , ч. 2,

К., 1975, с. 132-140.

2.Патент Японии 56 В 3 № 48-31408, 1973.

3.Тонкаев В.Е. и др. Магнитнос полупроводниковые модуляционные преобразователи .тоты. К., Наукова Думка , 1970, с. 182-183.

Ф

а

,8 8 S

uJ uJ uJ