Преобразователь частоты Советский патент 1980 года по МПК H02M7/515 

1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах энергоснабжения и в частотноуправляемом электроприводе.

Известны преобразователи с раздельным регулированием частоты и напряжения, со- , держащие узлы коммутации с коммутирующими трансформаторами и .конденсаторами 1.

К недостаткам этих преобразователей следует отнести сложность цепи возврата реактивной мощности, большую установленную Ю мощность коммутирующих конденсаторов, значительные пиковые токи в рабочих тиристорах, плохой гармонический состав выходного напряжения.

В преобразователе 2 коммутирующая цейь состоит из коммутирующего тиристора, диода, вторичной обмотки трансформатора. К недостаткам этой схемы следует отнести малое запирающее напряжение, прикладываемое к рабочему тиристору, что вызывает 20 увеличение времени восстановления запирающих свойств тиристора, и, следовательно, необходимость увеличения емкости конденсатора в импульсном устройстве, наличие пиковых токов в коммутирующем тиристоре и диоде.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является автономный трехфазный инвертор 3, содержащий в каждом плече основной тиристор, щунтированный обратным диодом, и коммутирующий блок, включающий в себя подключенные последовательно к входным зажимам два вспомогательных тиристора, к общей точке которых присоединен зажим коммутирующего конденсатора, последовательный преобразователь с выходным трансформатором, три пары встречно включенных коммутирующих тиристоров, присоединенных к выходным зажимам инвертора, причем общая точка трех пар коммутирующих тиристоров подключена к одному из выводов вторичной обмотки выходного трансформатора, другой вывод этой обмотки подключен к коммутирующему конденсатору.

К недостаткам описанной схемы относятся: увеличенное количество конденсаторов, малое запирающее напряжение на основных тиристорах, что приводит к увеличению времени выключения тиристоров, значительные пиковые токи в коммутирующих тиристорах. диодах и элементах высокочастотного инвертора, отсутствие автоматических регулировок, пониженная помехоустойчивость в цепях коммутирующих тиристоров. Цель изобретения - улучшение массогабаритных и энергетических показателей при повышении функциональной надежности в широком диапазоне частот и режимов работы. Указанная цель достигается тем, что преобразователь частоты, содержащий мостовой тиристорный инвертор с вентильным моетом обратного тока, шинами питания подключаемые к источнику питания, мост коммутирующих тиристоров, выводами переменного тока связанный с выходными выводами инвертора, высокочастотный источник запирающего напряжения, выходом п,-ключенный к первичной обмотке многообмоточного реактивного элемента, вторичная обмотка которого связана с мостом коммутирующих тиристоров, а также блок управления, выполненный в виде трех узлов, обеспечивающих формирование и подачу импульсов управления на тиристоры инверторного моста, на коммутирующие тиристоры и на тиристоры высокочастотного источника запирающего напряжения, снабжен схемой слежения за коммутационной устойчивостью и тиристорным ключом, многообмоточный реактивный элемент дополнительно снабжен второй и третьей вторичными обмотками, которые совместно с первой вторичной обмоткой включены между выходными выводами инверторного моста и моста коммутирующих тиристоров, выводы постоянного тока которого подключены к шинам питания инверторного моста, первичная обмотка указанного реактивного элемента подсоединена к высокочастотному источнику запирающего напряжения через тиристорный клич, а мост обратного тока выполнен управляемым. В одном из вариантов высокочастотный источник запирающего напряжения содержит параллельный инвертор с тиристорнодроссельным компенсатором, первый и второй формирователи импульсов, логический элемент НЕ, шестивходовый логический элемент ИЛИ и регулируемый маломощный источник напряжения, причем управляющий вход тиристорно-дроссельного компенсатора соединен через первый формирователь импульсов и логический элемент НЕ с выходом шестивходового логического элемента ИЛИ и со входом второго формирователя импульсов, выход которого соединен со входом тиристорного ключа, а входы шестивходового логического элемента ИЛИ подключены к узлу формирователя управляющих импульсов тиристоров инверторного моста. Схема слежения за коммутационной устойчивостью содержит датчик высокочастотного запирающего напряжения, датчик выходного напряжения, источник порогового напряжения, первую схему сравнения, сумматор и второй маломощный регулируемый источник напряжения со схе.мой управления, управляющим входом соединенной с выходом схемы сравнения, один из входов которой подключен к датчику выходного напряжения, другой вход - к выходу сумматора, один из входов последнего подключен к источнику порогового напряжения, а другой вход - к датчику высокочастотного запирающего напряжения, входом подключаемому к выходу высокочастотного источника запирающего напряжения. Преобразователь частоты в случае примеменения его, например, в частотно-управля-. емом электроприводе снабжают функциональным узлом, содержащим вторую схему сравнения и аналоговый частотомер, регулятором питающего напряжения со схемой управления, вход которой соединен с выходом второй схемы сравнения, причем один вход последней соединен с выходом датчика выходного напряжения, а другой - с выходом аналогового частотомера, вход которого соединен с выходом щестивходовой логической схемы ИЛИ. На фиг. 1 изображена схема предложенного преобразователя частоты; на фиг. 2 - диаграмма работы блока управления; на фиг. 3 - принципиальная схе.ма преобразователя частоты, вариант. Преобразователь частоты содержит мостовой тиристорный инвертор на тиристорах 1-6 с вентильным мостом обратного тока на вентилях 7-12, мост коммутирующих тиристоров 13-18, причем выводы постоянного тока указанных мостов подключены к шинам питания регулируемого источника питания 19. Выводы переменного тока моста коммутирующих тиристоров 13-18 соединены с выводами переменного тока мостового тиристорного инвертора и вентильного моста обратного тока через три вторичных обмотки многообмоточного реактивного элемента (МРЭ) 20, а первичная обмотка МРЭ присоединена через тиристорный ключ 21 к выходу высокочастотного источника запирающего напряжения. Последний включает в себя маломощный регулируемый источник напряжения 22, соединенный выводами постоянного тока с входом постоянного тока параллельного инвертора 23 с тиристорнодроссельным компенсатором 24, управляющий вход которого подключен через последовательно соединенные логический элемент НЕ 25 и перзый формирователь импульсов 26 к выходу шестивходового логического элемента ИЛИ 27 и к выходу второго формирователя импульсов 28, выход которого соединен с управляющим входом тиристорного ключа 21. Узлы формирования импульсов блока управления 29 соединены с входом логического элемента ИЛИ 27 и с управляющими входами мостового тиристорного инвертора на тиристорах 1-6, вентильного моста обратного

тока на вентилях 7-12, моста коммутирующих тиристоров 13 - 18 и тиристорами параллельного инвертора 23. Управляющий вход регулируемого источника питания 19 через схему управления 30 соединен с выходом схемы сравнения 31, суммирующий вход которой соединен с аналоговым частотомером 32, вычитающий вход соединен с выходом датчика 33 выходного наггряжения и с вычитающим входом другой схемы сравнения 34, выход которой через схему управления 35 маломощным регулируемым источником напряжения соединен с управляющим входом второго маломощного регулируемого источника напряжения 22. Суммирующий вход схемы сравнения 34 соединен с выходом сумматора 36, один вход которого соединен с выходом источника порогового напряжения 37, другой вход - с датчиком 38 высокочастотного запирающего напряжения.

Преобразователь частоты работает следующим образом.

При подаче напряжения на выводы переменного тока регулируемого источника питания 19 начинают работать: функциональный узел, реализующий функцию U))(f) по заданному закону, и схема слежения за коммутационной устойчивостью преобразователя в щироком диапазоне часот и режимов работы преобразовате,1я и нагрузки.

Импульсы блока управления 29, проходя щестивходовый логический элемент ИЛИ 2/, поступают на вход аналогового частотомера 32. На выходе аналогового частотомера появляется напряжение, соответствующее закону и ff(f). Это напряжение подается на суммирующий вход схемы сравнения 31, на вычитающий вход этой схемы подается постоянное напряжение, пропорциональное выходному напряжению преобразователя, получаемое с датчика 33 выходного напряжения. Напряжение с выхода схемы сравнения 31 поступает на вход схемы управления 30. Схема 30 формирует импульсы управления нужной амплитуды и длительности для управления тиристорами регулируемого источника питания 19. Фазовый сдвиг импульсов управления, а в конечном итоге, и выпрямленное напряжение на выходе регулируемого источника питания 19 зависят от величины и знака напряжения, поступающего со схемы сравнения 31 на вход схемы управления 30. Таким образом, на выходе регулируемого источника питания устанавливается напряжение по закону U cf(f). Одновременно работает и система слежения за коммутационной устойчивостью.

Для обеспечения надежной коммутации мостового тиристорного инвертора в щироком диапазоне частот и режимов работы необходимо, чтобы подаваемое с высокочастотного источника запирающее напряжение было больше напряжения, подаваемого с регулируемого источника питания 19.

Для запирания тиристоров I, 3, 5 используются положительные полуволны высокочастотного запирающего напряжения (ВЗН), а для запирания тиристоров 2, 4, 6 - отрицательные полуволны.

Пусть включены тиристоры 1 и 4 и через них проходит ток нагрузки. Для выключения тиристора 1 подают импульсы управления на тиристоры 14 и 18. Длительность импульсов управления равна 2-3 периодам ВЗН. Положительные полуволны ВЗН (две,

0 три полуволны) будут прикладываться к нагрузке по цепи: начало вторичной обмотки МРЭ 20, нагрузка, тиристор 4, тиристор 14, конец вторичной обмотки МРЭ. Так как напряжение на вторичной обмотке МРЭ больще напряжения регулируемого источника питания 19, то при равенстве токов вторичной обмотки МРЭ и тока тиристора 1 последний выключится и начнется процесс его запирания.

Величина превышения напряжения ВЗН

0 над напряжением регулируемого источника питания 19 устанавливается при настройке с помощью источника порогового напряжения 37, представляющего собой регулируемый стабилизированный источник постоянного напряжения.

Высокочастотное запирающее напряжение представляет собой напряжение частотой 5-15 кГц.

На интервале времени между коммутирующими импульсами управления логичесji кий элемент НЕ 25 подает сигнал на формирователь импульсов 26 компенсатора.

Формирователь импульсов 26 компенсатора в это время подает импульсы управления на управляющий вход тиристорно-дрос5 сельного компенсатора 24. При появлении на выходе логического элемента ИЛИ 27 сигнала перестает работать формирователь импульсов 26 компенсатора и начинает работать формирователь импульсов 28 тиристорного ключа, который начинает подавать

о управляющие ипульсы на тиристорный ключ 21. Высокочастотное запирающее напряжение через этот ключ начинает поступать на первичную обмотку МРЭ 20. На интервале времени между коммутирующими импульсаj ми управления работает формирователь и.мпульсов 26 компенсатора. Он подает управляющие импульсы на управляющий вход тиристорно-дроссельного компенсатора 24. Формирователь импульсов 28 тиристорного ключа в это время не работает и высокочастотное запирающее напряжение не поступает на первичную обмотку МРЭ 20. При появлении коммутирующего импульса логический элемент НЕ 25 снимает с формирователя импульсов 26 компенсатора разрещающий сигнал и он перестает работать. Начинает работать формирователь импульсов 28 тиристорного ключа, который подает управляющие импульсы на управляющий вход тиристорного ключа/21. Вре.мя работы тиристорного ключа выбирается таким, чтобы за это время через МРЭ 20 успело пройти 2-3 периода высокочастотного запирающего напряжения. Описанная логика тиристорно-дроссельного компенсатора и тиристорного ключа позволяет резко сократить потери энергии в МРЭ 20, свести к минимуму -потери в параллельном инверторе и значительно повысить коммутационную устойчивость преобразователя. Величина высокочастотного запирающего напряжения изменяется маломощным регулируемым источником напряжения 22, управляющий сигнал на вход которого поступает со схемы управления 35. На вход схемы управления 35 поступает сигнал с выхода схемы сравнения 34, на вычитающий вход которой поступает сигнал с датчика 33 выходного напряжения, а на суммирующий вход - с выхода сумматора 36, сигнал которого пропорционален сумме сигналов датчика 38 высокочастотного запирающего напряжения и источника порогового напряжения 37. Предложенный преобразователь частоты выгодно отличается от указанного прототипа, меньщим весом и габаритами. Благодаря предложенной организации коммутационного процесса повыщается коммутационная устойчивость в щироком диапазоне частот, режимов работы, нагрузки при одновременном повыщении энергетических показателей. Предложенный преобразователь найдет щирокое применение для энергоснабжения цехов и заводов на частотах, отличающихся от 50 Гц, для создания щирокорегулируемых электроприводов и энергетических комплексов с МГД-генераторами и др. Формула изобретения 1. Преобразователь частоты, содержащий мостовой тиристорный инвертор с вентильным мостом обратного тока, щинами питания, подключаемые к источнику питания, мост коммутирующих тиристоров, выводами переменного тока связанный с выходными выводами инвертора, высокочастотный источник запирающего напряжения, выходом подключенный к первичной обмотке многообмоточного реактивного элемента, вторичная обмотка которого связана с мостом коммутирующих тиристоров, а также блок управления, выполненный в виде трех узлов, обеспечивающих формирование и подачу импульсов управления на тиристоры инверторного моста, на коммутирующие тиристоры и на тиристоры высокочастотного источника запирающего напряжения, отличающийся тем, что, с целью улучщения массо-габаритных и энергетических показателей при повыщеНИИ функциональной надежности в щироком диапазоне частот и режимов работы, он снабжен схемой слежения за коммутационной устойчивостью и тиристорным ключом. многообмоточный реактивный элемент дополнительно снабжен второй и третьей вторичными обмотками, которые совместно с первой вторичной обмоткой включены между выходными выводами инверторного моста и моста коммутирующих тиристоров, выводы постоянного тока которого подключены к щинам питания инверторного моста, первичная обмотка указанного реактивного элемента подсоединена к высокочастотному источнику запирающего напряжения через тиристорный ключ, а мост обратного тока выполнен управляемым. 2.Преобразователь частоты по п. 1, отличающийся тем,, что высокочастотный источник запирающего напряжения выполнен содержащим параллельный инвертор с тиристорно-дроссельным компенсатором, первый и второй формирователь импульсов, логический элемент НЕ, щестивходовый логический элемент ИЛИ и регулируемый маломощный источник напряжения, причем управляющий вход тиристорно-дроссельного компенсатора соединен через первый формирователь импульсов и логический элемент НЕ с выходом щестивходового логического элемента ИЛИ и со входом второго формирователя импульсов, выход которого соединен со входом тиристорного ключа, а входы шестивходового логического элемента ИЛИ подключены к узлу формирования управляюш,их импульсов тиристоров инверторного моста. 3.Преобразователь частоты по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что схема слежения за коммутационной устойчивостью содержит датчик высокочастотного запирающего напряжения, датчик выходного напряжения, источник порогового напряжения, первую схему сравнения, сумматор и второй маломощный регулируемый источник напряжения со схемой управления, управляющим входом соединенной с выходом схемы сравнения, один из входов которой подключен к датчику выходного напряжения, другой вход - к выходу сумматора, один из входов последнего подключен к источнику порогового напряжения, а другой вход - к датчику высокочастотного запирающего напряжения, входом подключаемому к выходу высокочастотного источника запирающего напряжения. 4.Преобразователь частоты по пп. 1-3, отличающийся тем, что при применении его в частотном управляемом электроприводе он снабжен функциональным узлом, содержащим вторую схему сравнения и аналоговый частотомер, регулятором питающего напряжения со схемой управления, вход которой соединен с выходом второй схемы сравнения, причем один вход последней соединен с выходом датчика выходного напряжения, а другой - с выходом аналогового частотомера, вход которого соединен с выходом щестивходовой логической схемы ИЛИ.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 266039, кл. Н 02 М 7/515, 1970.

2.Авторское свидетельство СССР № 243696, кл. Н 02 М 7/515, 1969.

3.Авторское свидетельство СССР

№ 505109, кл. Н 02 М 7/515, 1973 (прототип).

1W

j

о

. « :

,АА