Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное с промежуточным звеном высокой частоты Советский патент 1980 года по МПК H02M7/537 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ТРЕХФАЗНОЕ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ЗВЕНОМ Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано для частотного запуска и управления двигателями переменного тока различных типов (синхронных, асинхронных и пр.) в тек случаях, когда требуется широкий диапазон регулирования частоты вращения при одновременном согласовании ; уровней напряжения питания и потреби теля и при высоких требованиях к мас согабаритным показателям электропривода в целом. Наиболее простым из известных пре образователей постоянного напряжения в трехфазное является преобразователь, выполненный по трехфазной мос товой схеме с блоком управления, реа лизующим простейший, например 180градусный, алгоритм управления его ключами. Недостатком такого преобразователя является трудность согласования уровней напряжения питанием и выходного напряжения из-за резкого увеличения (особенно на низких выходных частотах) габаритов выходного сотласующего трансформатора. Известен преобр азователь с широтно-импульсной модуляцией ШИМ выход ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ ного напряжения, обеспечивающий преобразование однофазного напряжения в трехфазное. Преобразоват-ель содержит входной трансформатор, подключенный К- входным выводам трехфазного мостового инвертора, клЮчи которого выполнены на встречно-параллельно включенных тиристорах, и блок управления, включающий трехфазный задающий генератор управляющих импульсов выходной частоты jC . % Недостатком этого преобразователя является сравнительная сложность блока управления из-за того, что используемая в этом случае естественная коммутация тиристоров и раздельное (без уравнительных токов) управ ление требуют применения довольно сложного алгоритма управления, реапизуемого введением обратной связи по току и .по форме выходного напряжения (тока). Известен так;: е преобразователь однофазного напряжения в трехфазное, содержащий однофазный трансформатор с тремя вторичными обмотками, выполненными с отпайками, а также шесть трехфазных ключей переменного тока, выполненных в виде трехфазных диодных мостов С транзисторами, включенными на их выходах. Входы мостов подключены к разновитковым отпайкам каждой из вторичных обмоток трансфор матора 2 .

К недостаткам данного преобразователя следует отнести сложность структуры и ограниченные функциональные возможности из.-за невозможности регулирования выходной частоты, а также невысокие массогабаритные показатели из-за плохого использования обмоток трансформатора.

Наиболее близким к предложенному преобразователю является преобразователь постоянного напряжения в трехфазное с промежуточным звеном высокой частоты. Данный преобразователь позволяет получить из постоянного напряжения трехфазное переменное и содержит трехфазный мостовой инвертор, в качестве ключей которого использованы встречно-параллельно включенные тиристоры, а также однофазный инвертор, преобразующий постоянное напряжение в прямоугольное, постоянной частоты, выходом связанной с входнЕлми выводами трехфазного мостового инвертора. Блок управления этим преобразователем содержит задающий генератор, распределитель импульсов и усилительно-развязывающий узел Выходные выводы блока управления подключены к управляющим входам ключей однофазного и трехфазного мостового инверторов. На выходе преобразователя формируется трехфазное напряжение

н:

Регулирование напряжения в таком преобразователе осуществляют за счет регулируемого запаздывания угла включения тиристоров трехфазного инвертора. Эту же задачу можно решить несколько проще - за счет регулирования напряжения в однофазном инвер.торе.

Однако известный преобразователь при тех принципах регулирования напряжения, которые в него заложены, не позволяет осуществлять плавное изменение выходной частоты преобразователя от нулевого ее значения до заданного. Регулирование выходной частоты инвертора независимо от промежуточной высокой частоты влечет за 9обой ухудшение качества выходного напряжения из-за появления в нем в процессе регулирования субгармоник илч.постоянной составляющей, оказывающих вредное влияние на электродвигате ль и зачастую делающих невозможной нормальную его работу.

При так называемом связанном регулировании выходной частоты за счет соответствующего изменения промежуточной высокой частоты (плавно и путем изменения кратности этих частот) массу согласующего трансформатора минимизировать не представляется возмо;;сным.

Целью изобретения является расширение диапазона регулирования выходной частоты и улучшение массога-; баритных показателей преобразователя.

Для достижения этого предлагаемый преобразователь,как и известный, содержит однофазный инвертор с выходным трансформатором, вторичная обмотка которого подключена к входньм силовым выводам трехфазного мостового инвертора на ключах с двухсторонней проводимостью. В состав блока управления входят высокочастотный задающий генератор, связанный через усилительно-развязывающий узел с управляющими входами однофазного инвертора и распределитель импульсов, связанный через упомянутый усилительно-развязывающий узел с управляющими входами ключей трехфазного инвертора, В отличие от известного предлагаемый преобразователь снабжен дополнительным задающим генератором, частота которого кратна выходной частоте преобразователя, трехканальным узлом регулирования напряжения и трехканальным логическим узлом. Выходы логического узла подключены к входам усилительно-развязывающего узла, одни из входов каждого канала связаны с выходами высокочастотного задающего генератора, а другие входы каждого

0 канала - с выходами соответствующих каналов узла регулирования напряжения, входы которых связаны с выходами распределителя импульсов и выходом дополнительного задающего генератора.

Каждый из каналов Логического узла может быть выполнен в виде последовательно включенных логичесQ ких элементов 2И-2ИЛИ-НЕ и НЕ, выходы которых образуют выходы логического узла.

Трехканальный узелрегулирования напряжения может включать в себя модулятор ширины импульсов, а каждый из каналов содержит два трехвходовых, два двухвходовых логических элемента И-НЕ и один логический элемент НЕ. Выход одного из трехвходовых элеменQ тов И-НЕ соединен с.входом второго двухвходового элемента, а выход второго трехвходового элемента соединен с одним из выходов первого двухвходового элемента, второй вход которого образует один из входных выводов узла регулирования, а выход соединен с одним входом второго двухвходового элемента, выход которого образует один из выходных выводов узла регулирования и соединен с входом логи0 ческогсэ элемента НЕ, а его выход

образует второй выходной вывод узла. Первые два входа трехвходовых элементов образуют входные выводы узла регулирования, а их третьи входы подключены к модулятору ширины импульсов, входом связанному с дополнительным задакндим генератором.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.

Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное с промежуточным звеном высокой частоты (фиг.1 содержит трехфазный мостовой инверто на ключах 1-6 с двухсторонней проводимостью, однофазный инвертор 7 и, блок управления 8. Выходные выводы однофазного инвертора 7 подключены к первичной обмотке 9 однофазного трансформатора 10, вторичная обмотка 11 которого подключена к входным силовым выводам 12,13 трехфазного мостового инвертора. В состав блока уп.равления 8 (фиг. 1) входят два задающих генератора 14,15, распределитель импульсов 16, собранный по схеме трехфазного пересчетного кольца на триггерах -типа 17-19, трехканальный узел 20 регулирования напряжения; логический узел 21 и усилительно-развязывающий узел 22.

Выход задающего генератора 15 подключен к тактовым входам триггеров ,17-19 распределителя импульсов 16, выходы которого подключены к входам узла 20 регулирования напрялсения, включающего в себя модулятор 23 ширины импульсов и состоящего из тре идентичных каналов. Каждый канал регулирования напряжения включает в себя два трехвходовых 24,25, два двухвходовых 26,27 логических элемента И-НЕ и один логический элемент НЕ 28. Два входа каждого из трехвходовых логических элементов 24, 25, являющиеся входными выводами узла регулирования напряжения, подключены к соответствующим выходам распределителя импульсов 16, а к третьему их входу подключен выход модулятора 23 ширины импульсов, синхронизирующий вход которого соединен с выходом задающего генератора 15., Выходы логических элементов 24,25 , подключены к одним входам двухвходовых элементов И-НЕ 26,27, второй вйод логического элемента 26 образует входной вывод канала узла регулирования напряжения, а его выход подключен к второму входу логического элемента 27, выход которого подключен к входу логического элемента НЕ 28. Выходы логических элементов 27,28 образуют выходные выводы канала узла 20 регулирования напряжения. Задающий генератор, выполненный в виде собственного задающего генератора 14 и триггера 29, выхода.ми подключен к входам усилительноразвязывающего узла 22 и трехканального логического узла 21, каждый канал которого выполнен в виде последовательно включённых логических

элементов 2И-2ИЛИ-НЕ. К другим входам логического узла 21 подключены вы,ходы узла 20 регулирования напряжения. Выходы логического узла, образованные выходами логических элементов J 30 и 31, подключены к входам усилительно-развязывающего узла 22, подключенного своими выходами к управляющим входам ключей однофазного инвертора 7 и к управляющим входам ключей 1-6 трехфазного мостового ин0

вертора,

Принцип формирования выходного напряжения преобразователя поясняется ременными диаграммами, приведенными

5 fta. фиг. 2.

Работает предлагаемый преобразователь следуюдим образом. Задающим генератором 15 задают частоту выходного напряжения преобразователя, а

0 задающим генератором 14 - независимую

промежуточную высокую частоту, на которой работает согласующий трансформатор, питающий трехфазный мостовой инвертор. Импульсы с выхода задающего генератора 15 U ig поступают на тактовые входы триггеров 17-19 распределителя импульсов 16 и на синхронизирующий вход модулятора 23 ширины импульсов, входящего в состав узла 20 регулирования напряжения. С

выходов распределителя импульсов 16 сигналы с частотой, пропорциональной выходной частоте преобразователя, имеющие временной сдвиг на 120 относительно друг друга, поступают

5 на входы узла 20 регулирования напря.жения, на другие входы которого по:ступают импульсы временной скважнос;ти с выхода модулятора ширины импульсов,, длительность которых равна длительности регулировочной паузы 06 . На выходе узла 20 регулирования напряжения формируют низкочастотные сигналы 32-37, имеющие вид, показанный на фиг. 2 () которые

поступают на входы логического узла

5

21, на другие входы которого поступают прямоугольные импульсы с выходов 38, 39 {изз 39 на фиг.2) триггера 29 высокочастотного задающе,. го генератора. С выходов логического узла 21 снимают сигналы 40-45 .управления ключами трехфазного мосTOBioro инвертора ( Фиг. 2), поступающие на вход усилительноразвязывающего узла 22. В нем осуществляют усиление и гальваническую развязку сигналов управления. Управляющие импульсы с выходов усилительно-развязывающего узла 22 поступают на управляющие входы ключей 1-6 трехQ фазного мостового инвертора, В случае выполнения вторичной обмотки 11 согласующего трансформатора 10 без нулевого вывода выходное фазное напряжение преобразователя (например

2 для фазы А) будет иметь форму типа

пьедестал, обычную для трехфазного мостового инвертора, а при наличии нулевого вывода - типа меандр.

Согласование уровней напряжения питания и выходного напряжения в предлагаемом преобразователе осуществляется прк помощи промежуточного высокочастотного преобразования электрической энергии. Преобразователь построен таким образом, что частота промежуточного преобразования не зависит от выходной частоты преобразователя при регулировании последней в широком диапазоне от знчений, близких к нулевым, до номинальных. .

Известный преобразователь з не позволяет решить эту задачу (планого регулирования частоты), что делает по существу невозможным при|менение его в частотно-регулируемом синхронном электроприводе.- В случае же связанного регулирования выходно частоты за счет соответствующего изменения промежуточной высокой частоты высокочастотный согласующий трансформатор необходимо рассчитывать на минимальную промежуточную частоту /выходная и промежуточная частоты связаны следующим соотно- шением: j j.3m-lnp/ где tn 1,2,...

Так, например для обеспечения диапазона регулирования выходной частоты 10-1000 Гц согласующий трансформатор необходимо рассчитывать н на частоту 300 Гц.

В предложенном преобразователе промежуточная высокая частота остается постоянной во всем диапазоне регулирования выходной частоты и может быть выбрана из условия минимума массы высокочастотного согласующего трансформатора. Так, при частоте промежуточного высокочастотного преобразования i пр прочих равных условиях по диапазону выходной частоты масса согласующего трансформатора в предлагаемом преобразователе в 2,7 раза меньше, чем у прототипа, согласующий трансформатор которого рассчитан на частоту 300 Гц. Структура преобразователя позволяет обеспечить широкий диапазон регулирования выходной частоты с одновременным согласованием уровней напряжения питания и тр уемого выходного напряжения при наилучших массогабаритных показателях, полученных за счет применения промежуточного высокочастотного преобразования электрической энергии, причем данное преобразование осуществляется при помощи только одного однофазного трансформатора..

Таким образом, существенно расширяется область применения преобразрвателей с промежуточным высокочастотным преобразованием. Благодаря достигнутой возможности плавного регулирования выходной частоты и напря жения от нулевых значений до заданны номинальных при отсутствии в напряJ лсении субгармоник и постоянной составляющей также преобразователи можно применять не только в асинхронных, но и в синхронных частотно-регулируемых электроприводах. При этом в отличие от известных решений промежуточная высокая частота, т.е. рабочая частота согласующего трансформатора, остается -постоянной, что позволяет, существенно улучшить (за счет оптимизации этой частоты) массогабарит5 ные показатели трансформатора и, следовательно, всего преобразователя.

В наибольшей мере эффективность 0 такого типа преобразователей проявляется в области малых и средних мощностей, когда еще возможно транзисторное исполнение их силовой части. При пониженных выходных частотах порядка 50 Гц и ниже такие преобразователи целесообразно выполнять в тиристорном исполнении (с блоками принудительной коммутации).

изобретения

Формула

1.Преобразоратель постоянного напряжения в трехфазное с промежуточ- ным звеном высокой частоты, содержащий однофазный инвертор с выходным трансформатором, вторичная обмотка которого подключена к входным силовым выводам трехфазного мостового инвертора на.ключах с двухсторонней

0 проводимостью, и блок управления, включающий в себя высокочастотный . задающий генератор, связанный через усилительно-развязывающий узел с управляющими входами однофазного инвертора, и распределитель импульсов, связанный через упомянутый усилительно-развязывающий узел с .управляющими входами ключей трехфазного инвертора, отличающийся тем-, что, с

Q целью расширения диапазона регулирования выходной частоты и улучшения массогабаритных показателей, его блок управления снабжен лополнительным задакнцим генератором, частота которого кратна выходной частоте преобразователя, трхканальным узлом регулирования напряжения и трехканальнвм логическим узлом, выходы которого подключены к входам усилительно-развязывающего узла, одни из входов

0 каждого канала связаны с выходами высокочастотного задающего генератора, а другие входы каждого канала с выходами соответствующих каналов узла регулирования напряжений, входы

5 которых связаны с выходами распреде ителн импульсов и выходом дополнительного задающего генератора.

2.Преобразователь по п.1, от л и чающийся тем, что каждый из каналов логического узла выполнен в виде последовательно включенных логических элементов 2И-2И,Т1И-НЕ и НЕ выходы которых образуют выходы логического узла.

3.Преобразователь по пп. 1 и 2, отли ч ающи и с я тем, что трехканальный узел регулирования напряжения содержит модулятор ширины импульсов, из каналов содержит два трехвходовых, два двухвходовых логических элемента И-НЕ и один логический элемент НЕ, выход одного из трехвходовых элементов И-НЕ соединен с входом второго двухвходового элемента, выход второго трехвходового элемента соединен с одним из входов первого двухвходового элемента, второй вход которого образует один из входных выводов узла регулирования, а егоВЫХОД соединен с

ОДНЯ1.5 ВХС.ЩСГ.1

элемента, вь.ход которого один из выходных Еыводоз узлг гегулирования и соединен с входом логического элемента КЕ, его выход образует второй выходной вывод узла, при этом перзые два входа т;оехвходси: х злементов образуют входпие }:-ыво; :м узла регу;;ирования, at их третьи входы подключены к модулятору ширины импульсоЗ: входом сзязаи. с цополяительныгл задающим генератором.

Источники информации, принятые зо внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР

S №

163265, кл. Н 02 М 5/27, 1962. 2,Авторское свидетельство СССР

493872, кл. Н 02 М 5/27, 1975.

№ З.Антонов Б.М,, Данько Г.Ф. и Троянская Д.О. Инвертор с промежу20точным звеном повышенной частоты, Труды ВЭИ. Силовые пслупроводиI.icoвые устройства. М., Энергия, 1967, с. 124-130 (прототип).

Й1

I гЧх РН-Ня