Преобразователь частоты с квазиоднополюсной модуляцией Советский патент 1980 года по МПК H02M5/27 

1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в тех случаях, когда требуется повышенное качество напряжения, регулирование или стабилизация параметров электроэнергии - напряжения и частоты с большой точностью при ограничениях на массо-габаритные показатели устройства, реализующего эти функции.

Известны устройства, обеспечивающие преобразование одной частоты в другую и регулирование величины преобразованного выходного напряжения. Это преобразователи частоты со звеном постоянного тока 1 и преобразователи частоты с непосредственной связью 2, 3. Преобразователи частоты (ПЧ) первого типа содержит выпрямитель (управляемый или неуправляемый), входными выводами подключенный к сети, а выходными - к шинам питания инвертора. Недостатками такой структуры ПЧ являются сравнительно низкое качество преобразованного напряжения (типичный коэффициент гармоник напряжения порядка 0,3), а также схемная усложненность или ухудшенные массо-габаритные показатели в тех

случаях, когда трубуется обмен реактивной и активной мощностью нагрузки с сетью.

ПЧ второго типа (с непосредственной связью), выполняемые на тиристорах с естественной коммутацией, например, по мостовой 5 схеме 4, обеспечивающей среди известных рещений такого типа лучщее качество выходного напряжения (с коэффициентом гармоник также не более 0,3), имеет ограниченные функциональные возможности, так как не позволяют получить частоты бо,1ьше 10 (0,25-0,3)fi (где fi - частота напряжения питающей сети), а также имеют довольно сложную систему управления.

ПЧ второго типа (с непосредственной связью), выполняемые на тиристорах с искусственной коммутацией, в отличие от ПЧ

15 с естественной коммутацией, позволяют получить частоты выше частоты питающей сети однако их схемы характеризуются сравнительно большим значением коэффициента гармоник напряжения (0,31).

Кроме того, ПЧ первого и второго типа,

20 выполненные на тиристорах с искусственной коммутацией, имеют увеличенные массу и габариты (из-за наличия блока искусственной коммутации).

Наиболее близким техническим решением к предложенному является преобразователь частоты 5, содержащий три однофазных инверторных моста, выполненных на управляемых ключах с двусторонней проводимостью, и блок управления, включающий в себя задающий генератор, основной распределитель импульсов и усилительно-развязывающий узел, выходами подсоединенный к управляющим входам ключей однофазных инверторных мостов. Силовые входы инверторных мостов образуют выводы преобразователя для подключения его к трехфазной сети.

Для согласования уровней напряжений питающей сети и потребителя на выходе инверторных мостов устанавливают выходные трансформаторы, вторичные обмотки которых соединяют между собой последовательно, образуя выходные выводы преобразователя.

К недостаткам такого преобразователя можно отнести невысокое качество его выходного напряжения.

Целью изобретения является улучшение качества выходного напряжения за счет уменьщения его коэффициента гармоник.

Для достижения поставленной цели в преобразователе, который содержит подключаемые к т-фазной сети и выполняемые на управляемых ключах с двусторонней проводимостью однофазные инверторные мосты, образующие вместе с выходными трансформаторами преобразующие ячейки, и блок управления, включающий в себя задающий генератор, основной распределитель импульсов и усилительно-развязывающий узел, выходами подсоединенный к управляющим входам ключей однофазных инверторных мостов, согласно изобретению, вторичная обмотка трансформатора каждой преобразующей ячейки выполнена с отпайками, соединенными вместе с другим концом вторичной обмотки трансформатора через дополнительно введенные управляемые ключи с двусторонней проводимостью в общую точку, которая образует другой выходной вывод преобразующей ячейки. Блок управления снабжен триггером и двумя дополнительными распределителями импульсов, причем выход задающего генератора подключен ко входу одного из дополнительных распределителей импульсов и ко входу триггера, а инверсный и прямой выходы триггера связаны соответственно со входами основного и другого дополнительного распределителя импульсов.

На фиг. 1 показана принципиальная схема силовой части преобразователя; на фиг. 2схема управления преобразователем; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие формирование управляющих сигналов, подаваемых на входы ключей с двусторонней проводимостью преобразователя по фиг. 1 ; на фиг. 4 - временные диаграммы формирования выходного напряжения преобразователя; на фиг. 5 - зависимость коэффициента гармоник выходного напряжения преобразователя от числа ключей N в каждой инверторной ячейке.

Рассмотрим преобразователь с т 3.

Предлагаемый преобразователь (фиг.1) содержит три однофазных инверторных моста 1-3,выполненных на управляемых ключах 4-15 с двусторонней проводимостью. Силовые входы 16-19 инверторных мостов образуют выводы преобразователя частоты для подключения его к трехфазной сети. Силовые выходы 20-25 инверторных мостов подключены к первичным обмоткам 26-28 трансформаторов 29-31. Вторичная обмотка каждого из трансформаторов выполнена с отпайками 32-34, соединенными вместе с одним концом 35-37 вторичной обмотки трансформатора через дополнительно введенные управляемые ключи 38-43 с двусторонней проводимостью к общим точкам 44-46, которые образуют один из выходных выходов преобразующей ячейки. Второй выводной вывод каждой преобразующей ячейки образован другими концами 47-49 соответствующих вторичных обмоток трансформаторов. Выходные выводы преобразующих ячеек соединены между собой последовательно, образуя выходные выводы преобразователя.

Блок управления 50 содержит задающий генератор 51, триггер 52, основной 53, два дополнительных 54, 55 распределителя импульсов и усилительно - развязывающий узел 56.

Выход задающего генератора 51 подключен ко входу дополнительного распределителя импульсов 55 и ко входу триггера 52, а инверсный и прямой выходы триггера связаны соответственно со входами основного 53 и дополнительного 54 распределителей импульсов. Выходы распределителей импульсов 53-55 связаны с управляющими входами ключей 4-15, 38-43 преобразователя частоты через усилительно-развязывающий узел 56. Формирование выходного напряжения преобразователя поясняется временными диаграммами (см. фиг. 3). Принятые обозначения:

ТИ - тактовые импульсы на выходе задающего генератора 51;

ТИ (, ТИг - импульсы на инверсном и прямом выходах триггера 52;

и4-Ui5 - сигналы управления, подаваемые на входы ключей с двусторонней проводимостью однофазных i чверторных мостов 1-3;

и 38-и 43 - сигналы управления, подаваемые на входы дополнительных ключей 38-43 с двусторонней проводимостью.

Принятые на фиг. 4 обозначения:

UAB, UEC , UCA - линейные напряжения трехфазной сети, подаваемые на входы 16-19 преобразователя частоты (при наличии нулевого провода на входы преобразователя вместо линейных могут подаваться фазные напряжения); , I yJi - эквивалентные алгоритмы переключения ключей однофазных инверторных мостов 1-3, ,. HJr Чю-V«, ; з 13,,5; Un,,lJuj, Т/ц j-напряжения на первичных обмотках 26-28 трансформаторов 29-31; lUzcA -напряжения на выходах преобразующих ячеек; форма выходного напряжения преобразователя. Работа преобразователя поясняется работой одной преобразующей ячейки. При подключении питания к блоку управления и силовой части преобразователя и замыкании ключей 4, 5 инверторного моста 1 первичная обмотка 26 трансформатора 29 замыкается накоротко (интервал to-t на фиг. 4). В напряжении UuiHa первичной обмотке 26 при этом формируется пауза, а дополнительный ключ 30 с двусторонней проводимостью остается в этот момент замкнутым, что обеспечивает прохождение реактивного тока. При замо1кании ключей 5, 6 инверторного моста 1 на обмотке 26 формируется положительный импульс напряжения Уц, (интервал ti-taHa фиг. 4). Полярность обмоток трансформатора такова, что при замыкании ключа 39 на выходе преобразующей ячейки формируется первая ступень положительной полуволны напряжения . Замыканием ключа 39 формируют вторую ступень напряжения Uj, д (интервал ). Дальнейшее формирование напряжения игдь и напряжений , иг.сдпроисходит аналогично в соответствии с временными диаграммами, представленными на фиг. 3, 4. Выходное напряжение преобразователя и2 получают в результате суммирования выходных напряжений преобразующих ячеек иг.дв , Uj.bc. иг.сАУсложнением устройства управления можно построить преобразователь с регулированием выходного напряжения Ug. Регулирование может осуществляться в каждом из силовых звеньев инверторных ячеек: в инверторных мостах (за счет фазового сдвига сигналов управления ключей одной стойки инверторного моста по отнощению к сигналам управления ключей другой стойки) в трансформаторах (за счет введения подмагничивания) и в дополнительных ключах с двусторонней проводимостью (за счет выбора соответствующего алгоритма их управления) . С- целью упрощения системы управления рациональней регулировать напряжение в инверторных мостах. Переключением отпаек на вторичной стороне трансформаторов осуществляют амплитудно-импульсную модуляцию напряжений, формируемых на первичных обмотках. Целесообразное число дополнительно вводимых в каждую преобразующую ячейку управляемых ключей с двусторонней проводимостью (N) выбирается в каждом конкретном случае в зависимости от требования к искажению выходного напряжения преобразователя. Зависимость коэффициента гармоник выходного напряжения преобразователя от числа дополнительно вводимых в каждую преобразующую ячейку ключей, позволяющая осуществить выбор числа N, представлена на фиг. 5. В известном решении, принятом за прототип, коэффициент гармоник напряжения преобразователя равен 0,3. В предлагаемом преобразователе, как следует из фиг. 5, при числе ключей N, равном двум, Кг(и)0,16. При четырех дополнительных управляемых ключах в каждой преобразующей ячейко коэффициент гармоник выходного напряжения преобразователя можно снизить до 0,067. Поскольку преобразователь состоит из параллельно соединенных преобразующих каналов, упрощается наращивание мощности преобразователя. Так, при мощностях до десяти киловольт-ампер для построения преобразователя частоты можно использовать транзисторы, а следовательно, существенно улучшить его массо-габаритные показатели (из-за отсутствия блоков коммутации). Необходимо также отметить, что такое рещение позволяет получить частоты как больще, так и меньще частоты напряжения сети. При этом + fM, где fi - частота напряжения сети (см. фиг. 4); f м - частота модуляции (определяет алгоритм переключения дополнительно вводимых управляемых, ключей с двусторонней проводимостью); f j - частоты выходного напряжения преобразователя. Таким образом, предлагаемый преобразователь может быть использован, например, для создания устройств, обеспечивающих прецизионную стабилизацию частоты сети (на заданном уровне), а также для частотно-управляемого электропривода. Формула изобретения Преобразователь частоты с квазиоднополосной модуляцией, содержащий подключаемые к ш-фазной сети и выполняемые на управляемых ключах с двусторонней проводимостью однофазные инверторные мосты, образующие вместе с выходными трансформаторами преобразующие ячейки, один из выходных выводов каждой из которых образован одним концом соответствующей вторичной обмотки трансформатора, подключенного своей первичной обмоткой к выходу соответствующего моста, причем выходы ячеек соединены между собой последовательно и образуют вы.ходные выводы преобразователя частоты, а также блок управления, включающий в себя задающий генератор, основной распределитель импульсов и усилительно-развязывающий узел, выходами подсоединенный к управляющим входам ключей однофазных инверторных мостов,огличающийся тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения за счет уменьшения его коэффициента гармоник, вторичная обмотка трансформатора каждой преобразующей ячейки выполнена с отпайками, соединенными вместе с другим концом вторичной обмотки трансформатора через дополнительно введенные управляемые ключи с двухсторонней проводимостью в общую точку, которая образует другой выходной вывод преобразующей ячейки, а блок управления снабжен триггером и двумя дополнительными распределителями импульсов, причем выход задающего генератора подключен ко входу одного из дополнительных распределителей импульсов и ко входу триггера, а инверсный и прямой выходы триггера связаны, соответственно, со входом основного и другого дополнительного распределителей импульсов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 238656, кл. Н 02 М 5/27, опубл. 10.03.69. 2.Авторское свидетельство СССР № 309435, кл. Н 02 М 5/27, опубл. 09.07.71. 3.Авторское свидетельство СССР № 325671, кл, Н 02 М 5/27, опубл. 07.01.72. 4.Авторское свидетельство СССР № 169663, кл. Н 02 М 5/27, опубл. 17.03.65. 5.Сб. «Устройства преобразовательной техники, вып. 2, Киев, «Наукова думка, 1969, с. 110 (прототип).

V ,

TH

ш

,

%

э v 2

HI

Г...

fl

r «j

j

kKr(2)