Многофазный преобразователь частоты с вращающимся магнитным полем Советский патент 1980 года по МПК H02M5/16 

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в пре образовательных установках и системах электропривода, где требуется регулирование частоты в обе стороны относительно частоты питающей сети. Известны непосредственные преобра зователи частоты, в которых каЯодая фаза нагрузки подключается к фазам питающей сети или к отводам трансфор маторного преобразователя числа фаз циклически через равные промежутки времени. Такие преобразователи экономичны и обеспечивают плавное регулирование частоты в обе стороны относительно частоты питания, однако их силовые схемы и сусемы управления сло.жйы. Наиболее близким к данному устрой ству по технической сущности является многофазный преобразователь часто ты с вращающимся магнитным полем, со держащий магнитопровод с расположенными на нем многофазной соединенной звезду первичной обмоткой, концы которой через ключевые элементы соединены с выводами для подключе ния источника питания, и многофазной вторичной обмоткой, , Данному преобразователю присущи сложность силовой схемы, связанная с нербхрДилюстБЮ увеличения чис;ла ОТвЪдов преобразователячисла фаз :и числа ключей для получения удовлетворительнОй формы кривой выходного напряжения; слож ностЬ управления, связанная с необходимостью формирования управляющих сигналов, частота которых равна разности между требуемой частотой и частотой питания. Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. упрощение силовой схемы и управления преобразователем. . Указанная цель достигается тем, что в многофазном преобразователё частоты с вращающимся магнитным полем, содержащем магнитопровод с расположенными на нем многофазной соединенной в звезду первичной обмоткой, концы которой через ключевые элементы соединены с выводами для подключения источника питания, и многофазной вторичной обмоткой, в каждой фазе первичная рбмотка выполнена из двух ветвей противоположной полярности, каждая из которых состоит из двух секций, соединенных

. v eftee

с6гласно-п,оследовате;1ьно и подклю Зе Ш одШиШннШ/ и 1Й бШШсоответствующим ключевым элементам данной фазы. Кроме тЪго, в многофазном преобразователе частоты с вра Щйющимся магнйтнйм полем маг1Нйто провод состоит из двух частей, причем ра1сположённые на них первичные и вторичные обмотки имеют противоположные направления намотки витков.

БлШt5Дадш укаэ йнсП гУ ваАеШШййю формирование враиающегося магнитного ПС1ЛЯ и регулирование частоты его вращения осуществляется не междуфа зными

переключениями/ а путем переключения чис.ел и полярности. веЪвей;каждой /

фазы. Этим достигается уменьшение числа ключей силовой схемы и одновременно упрощение управления, кото роё становится не частотным, а проГраММНЫМ. - :- . : -

Сущйость изЬбрётёний поясняется чертежами, где на фиг.1 показан -ч пример выполнения агнитОпрЪвбда

преобразователя; на фиг. 2 - п;рймёр

выполнения одной ветви каждойфйэй; на фиг.З - схема подключения первичной обмотки; на фиг.4 - трехфазная система токов первичной oб «5тки при отсутствии переключений; на фиг.5 - ; пространственное распределений чисел витко в фаз первичной обмотки на фиг.б - вращающееся магнитное поле

при отсутствии переключений; на

фиг.7 - получение удвоенной частоты вращения.магнитного поля; на фиг.8 получение учетверенной частоты вращения магнитного поля; на фиг.. ,.., , получение половинной частоты вращения магнитного поля; на фиг. 10 получение полуторакратной частоты вршцения магнитного поля; на фиг.11 Тв1эемён ь1ё дй а граммы намагничивающих сил трех $аз и йх сумма прй половинной частоте вращения; на фиг.12 ёЗсёма Т1рёЬбразоватёля с дsybSfTS Hтопроводами. с использованием естественной коммутации тиристоров.

Магнитопровод преобразователя,

изобра:Женный на фиг.1, выполнен по

типу магнитных систем электрйчёс1 их

машин переменного тока. Магнитопро вод мбжет быть выполнен цельным с

отверстиями или для удобства монтажа разъемным, т.е . состоящимизДвух .частей, аналогичных статору и ротору электричёских маййн и йШйщихГпа; зы ДЛЯ укладки обмоток. На фиг.1

линия р1азъема показана пунктиром по осямотверстий (пазов). 1 ... . в Отверстиях или пазах ма гнйто- провода уложены первичная обмотка

и вторична я обмотйа; выпой Йё1ййыё

по типу обычных многофазнь1х распределенных обмоток электрических машин

И ймеюЩиё Ьдинаковые числа Полюсов. Числа фаз могут быть; различны. Ко

вТориуной обмотке подключена многофазная нагрузка.

Каждая фаза первичной обмотки состоит из четырех идентичных ветвей На фиг.2 показан пример выполнения одной ветви каяадой из трех фаз , V именно ветвь фазы А показана штрихпунктирной линией, ветвь фазы В линией тире-две точки и ветвь фазы С - пунктирной линией. Как видно из фиг.2,кавдая фазная ветвь выполнена по типу простейшей двухполюсной обмоки с полный шагом (4 паза на полюс и фазу) . :

На фиг.З представлена схема подключения первичной обмотки к зажимам А,В,С,О питающей сети. Четыре идентичные секции двух ветвей каждой фазы имеют попарно-противоположную маркировку выводов (полярность). Полярность обмоток показана на фиг.З точками. Каждые две секции одной полярности, соединенные последовательно, подключейы к фазному напряжению источника питания через ключ. Точка соединения двух секций одной полярности /также подключена к той же фазе черёзключ. Таким образом, к каждой Фазе источника-питания подключены одноименные выводы всех четырех секций. Все ключи полностью управляемые и безинерционные.

В дальнейшем изложении.предполагаем, что все ключи на фиг.З пронумерованы слева йаправо. При замкнутом первом ключе и разомкнутых осталных к фазе А подключена одна секция условно положительной полярности, при замкнутом втором ключе - две секции той же полярности, при замкнутом третьем ключе - одна секция условно отрицательной полярности, при замкнутом четвертом ключе две секции отрицательной полярности. Аналогичным образом подключается четыре секции обеих полярностей фазы В вторыми четырьмя ключами и фазы С- остальными четырьмя ключами.

Фазные токи угловой частоты о; питания трех фаз первичной обмотки при подключении в каждой фазе по одной секции одинаковой полярности изображены на фиг.4: щтрих-пунктйром для фазы А, линией тире-две точки для фазы В и пунктирной линией для фазы С. Такими же линиями на фиг.5 изображены, в развертке окружности магнитпровода- на плоскость пространственные распреде. чисел витков W ветвей каждой из трех фаз первичной обмотки. При ДОсТаточно большом числе пазов каждая секция имеет трапецеидальное распределение чисел витков и функции от пространственной коОрдйнйт ы X.

Рассмотрим работу нагруженного преобразователя, пренебрегая током намагничивания. При изменении первичного числа витков в К раз внесенное в первичный контур сопротивление изменяется в К раз (без учета рас:сёяния) , т.е. ток первичной оВмоткй изменяется практически в l/K раз. При этом намагничивающая сила (н.с. данной фазы первичной обмотки измен ется в 1/К раз. При указанных поочередных замыканиях первых четырех ключей устанавливаются мгновенные значения н.с. фазы А, равные соответственно +2Рд , +Гд, -2Рд , -Рд Аналогичным образом устанавливаются четыре значения н.с. фазы В в зависимости от положения вторых четырех ключей и фазы С - от положения оста ных четырех ключей. На фиг.б изображена бегущая (вращ ющаяся) волна н.с. первичной обмотк И.ЛИ магнитное поле при постоянно за нутых 2-ом, б-ом и 10-ом ключах и разомкнуты1Г остальных, т.е. когда к фазным напряжениям постоянно подклю чены ветви одной полярности, н.с. которых равны +Гд н.с. имеют такие же трапецеидальные распределения, что и числа витков фазных обмоток и изображены на фиг.б такими же, линиями. Кривые сумм н.с, трех фаз изображены сплошными линиями.. Как в любом трансформаторе с вра щающимся магнитным полем, волна в этом случае вращается вдоль окружности магнитопровода - пространствен ной координаты X - с угловой скоростью, равной угловой частоте питающего напряжения; на фиг.б показан поворот волн н.с. на пространственный угол 2 - радиан за интервал-и ir бшЪ . на фиг.7 показано получение удвоенной скорости вращения волны н.с. В момент С4) замкнуты ключи 2-й 6-й и 10-й, как и на фиг.б,и волна н.с. имеет то же положение. В следующий момент ii}, ток фазы В (Рд 0), все проходит через нуль ключи фазы А разомкнуты (Рд в фазе С замкнут 9-й ключ, так что н.с. фазы С равна 2Р, она изображена на фиг.7 сдвоенной пунктирной линией. В следующий момент шЪ - замкнуты ключи 3-й, б-й и 10-й и н.с фаз равны - 2Р;,, Pg, и соответственно н.с. фазы А условно отрицательной полярности изображена на фиг.7 сдвоенной штрих-пунктирной линией, а н.с. остальных двух фаз одинарными линиями. В следующий момент cut « (на фиг.б он уже не показан) замкнуты ключи 5-й и .11-й, н.с . фаз В и С равны 2РцИ -2Р(., и т.д. Как видно из фиг.7, волна результирующей Н.С., изображенная спло ной линией, вращается вдвое быстрее, чем на фиг.6 - поворачивается на такой же пространственный .угол радиан за вдвое меньшее время О(wt, Фиг.8 поясняет получение учетверенной скорости вращения волны н.с. В -моментooi-о замкнуты те же ключи 2-й, б-й и 10-й, как и на фиг.6, и волна н.с. имеет то же полЬя(:ение. В следующий момент tot , изоб раженный на фиг.8, замкнуты ключи :3-й и 9-й, и н.с. фаз А и С раины ,соответственно -2Рд и 2Рс.. В следую;щий момент ш-Ь (на фиг.8 он уже не показан) замкнут только 11-й 1ключ, н.с, -2Р создается только .:фазой С и т.д. Как видно из фиг.8, при таких переключениях волна ре - ,зультирующей н.с. врав1ается вчетверо быстрее, чем на фиг.i6 - поворачи- , вается на такой же пространственный угол 21Г/3 радиан за йчетверо меньшее время. .. Фиг.9 поясняет получение половинной скорости вращения магнитного поля. В период : Т замкнуты только 2-й и ключи, обуславливая только н.с. F. и Р--. Далее в момент АО Ш-t-- замкнут только 9-й ключ, и,н.с. равна 2Р. Далее в момент a)i Щ с замыканием соответствующих ключей задаются фазные н.с. -Рд f Fg, и Р далее в момент 5 §- н.с. -Р и 2Pg и т.д. Как видно из фиг. 9, волна результирующей н.с. вращается вдвое медленнее, чем на фиг.б. ; На фиг.10 поясняется получение частоты вращения магнитного поля, в 1,5 раза превышающей частоту питания. Переключениями соответствующих ключей задаются в момент фазные н.с. Рд 9 Р, в момент out Рр, в момент Ш-Ь -§ РС и PQ , в момент ШЬ l 2Pg и т.д. За время ОёШ-Ъ 2. волна результирующей н.с. поворачивается в пространстве на ГС радиан, т.е. угловая частота ее вращения в 1,5 раза больше частоты .питания. Таким образом, показана возможность регулирования частбты вращения волны результирующей н.с., т.е. магнитного поля и, следовательно, выходной частоты преобразователя как в сторону увеличения, такИ в сторону уменьшения относительно частоты питания, причем в широком диапазоне. Эта воз- можность достигается переключениями ;в каждой фазе всего двух значений ампер-витков противоположной полярности, хотя может быть использовано и большее число таких значений - при этом увеличивается число ветвей обMOTOJC и ключей. . Ампер-витки фазных обмоток переключаются через равноотстоящие промежутки времени, в рассмотренных :примерах через U)t , не зависящие от достигаемой выходной частоты «1М1 п-г пг1( пнуптгнпй - частоты вращения .магнитного поля, При этом предполагалось, что .за каждый такой промежуток фазный ток достигает расчетного значения, т.е. переходный процесс протекает достаточно быстро. Еассмотрим ограничения, накладываемые временем переход ного процесса. Как известно, постоянная BpeMeHH изменения токов в нагруженном трансформаторе определяется, в основном, р е а1стйвносТями рассеяния. .Чтобы с вободная составляющая тока переходного процесса практйчески исчезла за заданный промежуток времени между двумя переключениями, реактивности рассеяния обмоток должны быть достаточно малы. Так KaiK эта составЛЯощаЯ затухает до 5% от своего первоначаль його значения за время ЗТ/то для: регулирования с точностью не хуже 5% необходимо, чтобы промежуток Bpie йё тГйёЖдУДвУмй-Переключениями составлял 3 Т В рассмотренных прИмёг pax этот промежуток равнялся (JU-t ---g t - Поскольку UJV равно отношению реактивной мощности трансформатора к активной, то для указанного регулирования это отношение не должно превышатьшГ--со. 0,174. При активной нагрузке реактивная мощ HoVtb трЪнсформатора обычйб не птрёвь шает 17%от активной, и данное условие выполняется. При активно-индуктивной нагрузке или повышенньах индук тйв ностях рассеяния-обмоток необхо-.. димо уменьшить точность регулирования. Для уменьшения индуктивностёй рассеяния магнитопровод.может быть выполнен в виде набора тороидальных сердечников; при равномерной намотке Таких сердечников индуктивности рассеяния становятся весьма малы. Вы пбЛненйе таких .сердечников из пер- « аллоя сводит к минимуму ток намаг.ничивания, который изменяется мед- . . леннее тока нагрузки. Фиг. 11 иллюстрирует изменениё н . с во времени для частоты вращения магнйтного пол я, равн ой пЬЛОвйне Чгае 1Оты .питания, при том же .интервале между переключениями ujt - .На графике фиг. 11 представлены распблбженйыё друг под другом Hiс. фаз А,В,С и-.: их сумма - результирующая кривая н.с Диаграммы построены для той точки окружности магнитопровода фигД, Гв кЬтброй относительные значен1}.я чисел витков фазных.-ветвей равны f 1, Wn W -i-. При построении диаграммы н.с. принято, что (UT 0,474, т.е. чтон.с. достигают расчетных значений (фиг.9) к моментам переключений. СпП жаные лини изображают н.с. при переключениях, - 8ггйа7Гьтге ж- -яй Мия8й намё вившиеся значения н.с. Из фиг. 11 вид но, что хотя фазные н.с. экспонен циаЛьно изменяющиёся между переКлючениями, несйнусоидальными, результирующая н.с. половинно й: часточм приближается,к синусоиде. Предлагаемый преоб1раз; 5Йатё:лЁ Ябжет быть; выполнен с испрль эдванйём не только полностью управляёШх клю чей , как описано Btjirie, йр; и. тиристоров. На фиг. 12 йзображёи1п(рШ|ё1} Йре

738068 образователя, в,котором используется естественная коммутация тиристоров. Преобразователь содержит два магнйтопровода, каждый из которых выполнен, как на фиг.1; эти магнитопроводы показаны на фиг.12 в виде двух сердечников, общих для трех фаз. Каждая фаза первичной обмотки выполнена вышеописанным образом, т.е. состоит из четырех секций, причем две последовательно соединенные секции одной полярности уложены на одном сердечнике, а секции другой полярности - .на втором сердечнике. Секции трех фаз первичной обмотки подключены к зажимам А, В, С,О источника питания через тиристоры таким образом, что их полярность в обоих сердечниках относительно вторичных обмоток противоположна. Вторичные обмотки каждой фазы, расположенные на двух сердечниках и соедине,нные последовательно, подключены к зажимам а,в,с, о нагрузки. Отличиеработы преобразователя фиг.12 от работы схемы фиг.З в том, что поскольку тиристор не может быть выключен до конца полупериода, изменение н.с. фазы достигаете включением секций первичных обмоток обоих сердечников, действующих в противоположные стороны относительно выходной обмотки. ПРИ этомчисло включаемых Секций подбирается так, чтобы алгебраическая сумма н.с. сердечников равнялась требуемому значению по величине и знаку. Количество секций в каждом сердечник,е выбирается так, чтобы обёсйечйть Т1реё уёмыё значения н.с. для заданных частот. Работа преобразователя на фиг.12 для получения половинной выходной частоты осуществляется следующим образом, при этом считаем, что тиристоры пронумерованы слева направо, причем в рассматриваемом интервале 3 $tf-t 5 -/ когда тбк рассмат зиваемой фазы А отрицательный (см.фиг.4), могут проводить только нечетное тиристоры. В момент Uj-t-3 включается 7-й тиристор, пропуская ток в две секции второго сердечника, так что н.с. равна -Рд. В момент uj-t (о отпирающим сигналом включается 5-й тиристор, шунтируя-вторую .секцию и пропуская ток в-первую секцию второго сердечййка. Н.с. во втором сердечнике начинает увеличиваться по абсолютной величине и i моменту OL)i.-1H $ достигает установившегося значения В этот момент включается 1-й тиристор, пропуская ток в две секции первого сердечника. Н.с. первого сердечника за ийтервал 11 stsj-t s-ZTC достигает установившегося значения Рд, так что к моменту U) относительно выходной обмоткифазы А действует реЗультйрующаян. с. -2Гд +F( -Рд. Эта н.с. сохраняется до конц полупериода, после чего нечетные ти ристоры перестают проводить и в раб ту вступают четные тиристоры. Рассмотрим преимущества предлага мого преобразователя по сравнению с прототипом. Работа преобразователя прототипа основана на циклическом переключении каждой фазы нагрузки между фазами питания (отводами прео разователя числа фаз). Поэтому един ственным путем улучшения формы крив выходного напряжения является увели чение числа фаз и, следовательно, числа ключей переключателя, Работа предлагаемого преобразователя основана на переключении ампер-витков одной и той же фазы. Поэтому увеличе ние числа переключений и улучшение формы кривой выходного напряжения ограничивается, в основном, не числом фаз и ключей, а длительностью переходного процесса установления тока в первичной обмотке. Уменьшая реактивности рассеяния обмоток,можно увеличивать исло переключений без увеличения объема аппаратуры, .Вследствие этого принципиального различия схема прототипа, содержащая б полностью управляемых ключей на фазу (всего 18 ключей), не обеспечивает хорошей формы кривой выходного напряжения. Предлагаемый преобразователь, (фиг,3) при меньшем числе ключей (4 на фазу, всего 12 ключей) обеспечивает лучшую форму (см,фиг,11), Следо вательно, при одинаковой степени подавления высших гармоник в кривой вы ходного напряжения силовая схема пре лагаемого преобразователя проще. Частота -переключений в преобразователе-прототипе равна разности межд требуемой частотой и частотой питани Поэтому система управления в прото-. типе должна содержать источник требуемой -частоты, устройство для сравнения этой частоты с частотой питания, формирователь отпирающих импуль

738068

10 СОВ разности частоты и программное устройство для распределения этих импульсов по ключам, В предлагаемом преобразователе ключи отпираются в одни и те же моменты времени, не зависящие от требуемой выходной частоты (в рассмотренных примерах эти моменты для любой частоты отстоят друг от друга на ШЬ -g- ) , Изменение выходной часгтоты осуществляется лишь изменением порядка включения ключей, т,е, программы переключений. Поэтому система управления предлагаемым преобразователем представляет собой источник импульсов неизменной частоты (рассмотренных примерах частоты 12 to) и программное устройство, подающее эти импульсы на ключи пр заданной программе. Следовательно., система yripiaBления предлагаемым преобразователем функционально значительно проще. Формула изобретения 1,Многофазный преобразователь частоты с вращающимся магнитным полем, содержащий магнитопровод,. с расположенными на нем многофазной соединенной в звезду первичной обмоткой, концы которой через ключевые элементы соединены с выводами для подключения источника питания и многофазной вторичной обмотки, о т л И- чающийся тем, что, с целью упрощения, в каждой фазе первичная обмотка выполнена из двух ветвей противоположной полярности, каждая из которых с.остоит из двух секций, соединенных согласно-последовательно и подключенных одноименными вьгводами к соответствующим ключевым элементам данной фазы, 2,Преобразователь по п,1,о т л и ча ии с я тем, что магнитопро- вод состоит из двух частей, причем расположенные на них первичные и вторичные обмотки имеют противоположные направления намотки витков.

Фиг.З

/

/ ч

/

/

cat

/ /

N

SL / г. V3

о X 2- Ж

У v.y

Фи&Л

ч

N. ..

/

иг.5

tKiafl i5..etl.rtK-l---i7-:w;;-,-.;: / .:- Л

.JE/Z 5r ЗГйГ/2 Фи.а,5

Фыг.7

Iuz.B

738068

О Z

3t -i 2,yt

Риг..

N.

/s

у

:::

7

I