Трехфазно- -фазный непосредственный преобразователь частоты Советский патент 1980 года по МПК H02M5/27 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для питания частотноуправляе1 ых электроприводов перемен ного тока в автономных энергоустано ках с переменной.скоростью вращения вала привода генератора для получения стабильной частоты, а также для питания различных электромагнит ных устройств, работсцощих по принципу бегущего поля, например, для питания линейных двигателей или установок электромагнитного перемешивания жидких металлов. Известны непосредственные преобразователи частоты с естественной коммутацией тиристоров-НПЧ с ЕК 1 Недостатки их заключаются в труд ности получения выходного напряжения высокого качества, а также в низком входном коэффициенте мощност Известны также непосредственные преобразователи частоты с искусстве ной коммутацией тиристоров-НПЧ с ИК, позволяющие устранить эти недостатки 2, 3, 4 и 5. Наиболее эффективным алгоритмом управления такими преобразователями является так называемый алгоритм циклического подключения через равные интервалы времени фаз сети нагрузки. Частота основной гармоники выходного напряжения при этом равна f - f - f - 1 - 1 Т,Т,т, Т2 где f - частота питгиощего напряжения;f - частота подключения к нагрузке одной и той же фазы питающей сети. Особенностью преобразователей, реализующих такой алгоритм, является построение их на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью .(иначе на ключах переменного тока). При повьашенных требованиях к качеству потребляемого преобразователем тока и выходного напряжения известные решениястановятся неприемлемыми. Наименьший коэффициент гармоник выходного напряжения, обеспечиваемый трансформаторно-тиристорны преобразователями и преобразователями, выполненными по мостовой схеме при эквивашентном числе фаз 6 (участвующих в формировании выходного напряжения), равен 0,31. При реальной активно-индуктивной

агрузке коэффициент гармоник Входого тока также приближается к этой еличине.

Преобразователи этЬго типа обесечивают выходное напряжение по ocfовной гаркюнике меньше, чем напряение питающей сети. Это в подавляющем числе случаев применения требует установки на входе преобразователя согласующего трансформатора, В тех случаях, когда применение согласующего трансформатора неизбежйо, целесообразно использовать его не только для целей согласования, но и для других целей, например для организации иной структуры преобразователя, обеспечивгиощей более высокое качество потребляемого тока и выходного напряжения. Указанная идея )еалиэована в предлагаемом решении. Наиболее близким по технический сущности и достигаемому результс1ту к изобретению являе1ся преобразователь, содержЕ1ЩИй трехфазный трансфор «1ШТОР с первичньпи и основным вторичным комплексами обмоток и трехфазные мосты на управляег ых ключах с двусторонней проводимостью, причем входы. этих мостов подключены к концам обмоток втс ичного комплекта, а выходные выводы образованы выходаэ.я5 трехфазных мостов 5} , Недостатком известных преобразователбй является невысокое для ряда случаев при кнения (например, для подвижных объектов) качество выходного напряжения и входного тока,, что требует применения фильтров, ухудшаюаднк энергетические и масоо-габа- . piiTHtae показатели, а также созд/зющих р унаг.анном случае применения и некоторке дополнительные проблегжг, например .уху, переходных процессов; перераэмеривание генератора и т,я,

Целью изобретения является улучшение качества выходного и входного токов,

Это достигаешься тем, что известный преобразователь, содержащий согласующий трехфазный трансформатор с первичнык и основным вторичным комплектами рехфаэных обмоток и га трехфазных мостов на управляемых кл:ючах с двусторонней проводимостью, входами подключенные к концам обмотки основного вторичного комплекта, а выходам образующие выходные выводы {преобразователя), снабжен дополн:ительным комплектом вторичных обмоток трансформатора и двумя дополнительнымя вентильными моста в1 с управляеь зми ключами на их выходах, причем обмотки вторичного основного комплекта вьаполнены с отпайками, соедине нными с одниг иэ концов трехфазной обмотки дополнительного вторичного комплекта по схеме зигзаг, а противоположные и разноименные относительно друг друга концы трехфазных Обмоток вторичных основного и дополнительного комплектов подключены ко входным выводам дополнительных вентильных мостов.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого преобразователя ,-на фиг. 2 - модификация преобразователя на фиг.1;на фиг.З векторные диаграммы, поясняющие прицип формирования выходного напряжения; на фиг. 4 - временные диаграммы выходного напряжения и алгоритмо переключения ключей преобразователя на фиг. 5 - схема системы управления, обеспечивающая регулирование входных напряжениЛ и частоты преобразователя; на фиг, 6 - временные диаграммы, поясняющие работу систе « управления

Преобразователь содержит трехфазный (х гласующий трансформатор 1 с первичным комплектом 2 и с основным 3 и дополнительным 4 вторичными комплектами трехфазных обмоток, причем обмотки основного вторичйого комплекта снабжены отпайками 5-7, а также трехфазные мосты 8-10 на управляемых ключах с двусторонней проводимостью (например, мост 8 на ключах 11-16) к два вентильных моста 17 и 18 с управляемыми ключевыми элементами 19 и 20 на их выходах. Выходные выводы 21-26 преобразователя образованы выходами мостов 8-10, а число этих мостов равно числу выходных фаз преобразователя (в данном случае ) .

В некоторых слА/чаях может оказаться более целесообразной модифиКсЩия преобразователя, показанная на фиг,2, Отличие этого решения состоит лишь в том, что дополнительный комплект трехфазных обмоток выпол-не на первичной (а не на вторичной стороне) и обмотки первичного комплекта (а. не вторичного) выполнены с отпайками, В этом случае, при некоторых соотношениях напряжений питающей сети и нагрузки вентильные MociM 17 и 18 с учетом выпускаемого промывшенного ассортимента вентилей будут иметь лучпше массо-габаритные показатели

Принцип формирования выходного напряжения лреобразователя поясняется фиг, 3 и 4.

Сущность формирования выходного напряжения состоит в том, что на входы кэcтoз 8-10 преобразователя попеременно подают две трехфазные систе(«й напряжений, (см,фиг. За, фиг, 3,, в) ,сдвинутые между собой на уголй/б Переключая соответствующим образом ключи мостов 8-10, на етаходе каждого из мостов можно получить любое из напряжений шестифазной cHCTefvftj напряжений (см, фиг.З, б) от о,дной трехфазной системы напряжений 1см.фиг.3,а) и любое из напря жений другой шестифазной системы (см.фиг,3,г) от другой cHCTevH напряжений (см.фиг,3,в). Попеременное подключение через равные интервалы времени, то одной, то .другой трехфаз ной систеьщ напряжений ко входам мостов 8-10 позволяет на выход кгикдого из мостов подать любое из напр жений двенадцатифазной системы напряжений (см.фиг.Зд), т.е. получить таким образом эквивалентную фазност питающей сети 1П,з, равную 12. При этом замыкание ключа 19 обеспечивают подачу на входы мостов 8-10 си TeNtJ напряжений, показанной на фиг. 3, а, а замыкание ключа 20 (и, соответственно размыкание ключа 19) подачу на те же входы системы напр жений (см. фиг. ЗУ в) . Для конкретизации рассмотрим несколько моментов переключения. Обозначение векторов напряжений на фиг.3,д соответствует обозначениям фаз а, Ь, с вторичных обмоток трансформатора на фиг.1. На фиг.3,д, а также на фиг. 4, а напряжения двенадцатифазной систегл напряжений обозначены цифрами в кавычках (для упрощения обозначений на фиг. 4,а). Алгоритмы переключения ключей 19 и 20 %ог так же алгоритмы переключения ключей 11-16 одного моста 8 - пока заны на фиг. 4, б. В интервале , согласно диаграмм на фиг,4 включены ключи 19, 11 и 14, К выходным выводам 21 и 22 преобразователя подводится напряжение фазы (т.е. асва). В момент t замыкают ключи 20, 12 и 1 и размыкают ключи 19, 11 и 14. К вы ходным выводам 21, 22 подводится пр этом напряжение фазы 2 (т..е. са), Используя временные диаграммы на фиг. 4, легко проследить процесс формирования выходного напр жения на всем отрезке Т2/2. Незаштрихованная часть алгоритмо переключения ключей на фиг. 4, 6 со ветствует направлению тока (при чис то активной нагрузке), показанному сплошной стрелкой. Часть алгоритмов отмеченная штриховкой, соответствует противоположному направлению Тока через ключи (показанному пунк тиром) , Применительно к тиристорном исполнению ключей, например в виде встречно параллельно включенных тиристоров, это означает, что в момен ты, не отмеченные штриховкой, работают одни тиристоры, а в моменты, отмеченные штриховкой, - другие тиристоры того же ключа. При этом для определения тиристора, который необходимо включить, используют информацию о направлении тока в нагрузке. Напряжения ocTa.nbFiijx фаз формируются аналогично. Мн-ло яыходных фаэ m в таком преобразователе может быть реализовано любым. Наиболее, просто реализовать случаи с m 2, 3, 4р б. Качество выходного напряжения и входного тока в предлагаемом преобразователе, измеряемое коэффициентом гармоник, вдвое лучше, чем в известных подобных решениях (0.,152 против 0,31). В качестве управляемых ключей с двусторонней проводимостью могут быть использованы сочетания полупроводниковых элементов, описанные, например в 5 . Число витков обмоток дополнительного вторичного (или первичного на г.2) комплектов 4 в раз меньше числа витков обмоток основного вторичного (или первичного на фиг.2) комплекта 3 и равно части числа витков обмоток основного вторичного комплекта от начала этих 66моток до отпаек. Преобразователь имеет все преимущества, присущие непосредственным преобразователям частоты с циклическим алгоритмом управления. В рассмотренных вариантах преобразователей обмотки основного и дополнительного комплектов организованы наиболее рациональным с точки зрения массо-габаритных показателей трансформатора способом. В принципе можно использовать два дополнительных комплекта обмоток а не один) и один основной комплект обмоток без отпаек. Однако это приводит к увеличенным массам меди обмоток и соответственно стали магнитопровода трансформатора. Использование более эффективной автотрансформаторной (а не трансформаторной) связи, т.е. совмещение обмоток одного дополнительного комплекта с обмотками основного комплекта, позволяет устранить этот недостаток. Кроме того, такая организация обмоток позволяет также уменьшить величи ну перенапряжений - всплесков, которые могут возникать при переключениях ключей (19 и 20) из-за индуктивностей рассеяния обмоток. Обратные напряжения, прикладываемые к диодам мостов (17 и 18) к ключам 19 и 20 и к ключам мостов 8-10 равны соответственно 1,27 и 8-.0 245 и,,° где и,„ - действующее значение на пряжения обмотки фазы основного комплекта. В варианте выполнения трансформатора с двумя дополнительными комплектами обмоток, т.е. при использовании трансформаторной, а не автотрансформаторной связи между обг-ютками соответствующих комплектов,изменив на 180 полярность соединения обмоток ос; Овного и дополнительных комплектов, можно вдвое уменьшить число переключений ключей мостов 8-10. Однако при этом значительно повышается обратное напряжение на э ментах 17-20 Vao.SU.j, Это означает увеличение в 3,69 р устгшовленной мощности элементов 17-20 в сравнении с вариантом организации обмоток (см.фиг, 1 и 2). Пр выборе варианта в конкретном случс1е применения это обстоятельство необходимо учитывать. Возможность регулирования величи ны выходного напряжения поясняется Временньп диаграммами на фиг.6 и схемой системы управления на фиг.5. Алгоритмы переключения ключей И-16 одной фазы ) и ключей 19 и показаны на фиг. 6,6. Регулирование обеспечивается вве дением изменяемой паузы t между пе реключениями ключей 19 и 20. Для пропуска реактивного тока в эти моменты- Зс1мыкают ключи одной стойки моста, например ключи 11 и 12, как показано на фиг. 6,6. Формирование необходи1 ых последо вательностей импульсов для управления ключами 11-16 и 19 и 20 обеспечивается системой управления, показ анной -на фиг. 5. Она содержит задаиощий генератор 27, модулятор шири ны импульсов 28, двенадцатитактный р аспределитель импульсов 29, входом соединенный с выходом ЗГ (25) генератора 27 через первый делитель час тОты 30, выполненный в виде триггер со счетным входом, а также логический узел 31, выходами соединенный с у правляющими входами соответству ощи ключей через узел развязки и усиления 32, и второй делитель частоты 3 тоже выполненный в виде триггера со счетным входом 28 может быть выпол нен, -например, в виде генератора пи лообразного напряжения 34 и компаратора 35. Логический узел 31 содержит логический элемент НЕ 36, восемь двухвходовых логических элементов И (37-44) и шесть четырехвходовых лргических элементов ИЛИ (45-50). Все взаимосвязи между логйчески1«1 элементами и узлами системы управления показаны на фиг.6. Основные сигналы, поступающие на входы логического узла 31, показгшы на фиг. Й,-в. При этом выходные напряжения узлов обозначены буквой И цифровым индексом соответствующим номеру этого уз;.а. Нумергщия выходов генератора 29 принята сверху вниз. Алгоритлщ пере ключения ключей, показанные на фиг.5,б, и сигналы на соответствую щих выходах логического узла 31 имеют один и.тот же вид. в случае использования описываемоо решения для построения автономой системы электроснабжения в виде генератора с переменной скоростью ращения вала и преобразователя часоты необходимость в трансформаторе тпадает, а якорные обмотки генераора выполняются таким жй образом, как и вторичные обмотки трансформатора. Регулирование величины выходного напряжения в этом случае может быть обеспечено соответствующим регулированием возбуждения генератора Наиболее эффективно преимущества преобразователя могут быть реализованы при пониженных входных и выходных частотах (порядка единиц и десятков Гц), например, при преобразовании промышленной частоты 50 Гц в более низкую или в более высокую. Формула изобретения Трехфазно-га-фазный непосредственный преобразователь частоты,содержащий согласующий трехфазный трансформатор с первичным и основным вторичным комплектами трехфазных обмоток и m трехфазных мостов на управляемых ключах с двусторонней проводимостью, причем входы этих мостов подключены к одним из концов обмоток основного вторичного комплекта, а выходные выводы образованы выходными выводами мостов, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества входного и выходного токов, он снабжен двумя дополнительными вентильными мостами с управляемыми ключами на их выходах и дополнительным комплектом вторичных обмоток трансформатора, причем обмотки основного вторичного комплекта выполнены с отпайками, соединенными с одним из концов трехфазной обмотки дополнительного вторичного комплек,та по схеме зигзаг, а противоположные и разноименные относительно друг друга конца трехфазных обмоток вторичных основного и дополнительного комплектов подключены ко входным выводам дополнительных вентильных мостов, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Данюшевская Е.Ю. Преобразователи на тиристорах в системах регулируемого электропривода постоянного и переменного тока, - Сб. Автоматизированный электропривод производственных механизмов, том, 3, М-Л, Энергия, 1966, Со 271-272, 2,Патент Швейцарии 47-6419, кл. Н 02 р 7/62, Н 02 р 13/30, .

3.Патент Японии 48-31408, кл. 56 В 3, 1973.

4,Электричество № I, 1977, с. 62-67.

5. Сб. Современные задачи преобразовательной техники, вып.2, Киев, Институт электродинамики АН УССР, 1975, с, 132-140 (прототип).

13 15

g

e acSa Sa CO

ваас

Фиг.

KW

к 19

к 20

фuг.S

t t М М М I I I I i I I I I I I I М L

j УЧ

f A A /V УЧ /4 / У

r-L r-ij-i-c rn n n rj

и

ie

Up,, Upuz pui

U.

pus

Up.n

/Й/г,#

Z

ai

J J

7 7 7

li

3

Ti