Вентильный преобразователь час-ТОТы C НЕпОСРЕдСТВЕННОй СВязью Советский патент 1981 года по МПК H02M5/27 

(54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С НЕПОСРЕДСТВЕ - НОП СВЯЗЬЮ

1

Изобретение относится к статическим преобразователям частоты переменного тока и может исно.чьзоваться в электротехнически.х преобразовательных установках п системах электропривода.

Известны вентильные преобразователи частот1,г с непосредственной связью и естественной коммутацией вентилей (пиклоконверторы), в которых одна полуволна выходного напряжения формируется выпрямление.м, а вторая полуволна - инвертированием многофазного преобраз емого напряжения путем поочередной коммутапии различных групп вентилей 1 и 2. Такие преобразователи экономичны и имеют сравнительно небольшую установленную мощность силовой аппаратуры, но им присущи следующие педостатки:

низкая выходная частота, практпчески не превын1аюн 1ая половины преобразуемой частоты, п трудности ее регулирования без ухудшения формы кривой выходного напряжения;

сложность управления, особенно при так называемом раздельном управлении группами вептилей;

значигельные искажения формы кривой вь;холеного напряжения.

Для устрар(ения указанных недостатков приходится усложнять как силовые, так и упразляюп:ие схемы. Например, для повыiiiCiiiiH частоты выходного нанряжения приходится значительно увеличивать число фаз или вводить элементы принудительной коммутапии вентилей или вводить резонансные контуры, т. е. усложнять силовую схему. Для улучп ения фор.мы кривой выходного напряжения приходится усложнять схемы управления, в частности управлять преобразователем по принципу замкнутых следяп1их систем.

Известен также вентильный преобразователь чаетоты с непосредственной связью, содержапшй включенп1 1е в .каждую фазу многофазного источника напряжения трансформаторы с расположенными на них первичными обмотками, подключенными к фазам источника, вторичными, соединенными последовательно, и обмотками управления и управляе ч-,;о вочтили, каждый из которых включен пара.-1,1слыю соответствующей обмотке управлепня 3. Недостатками данного преобразователя являются: низкая частота выходного напряжения, значительно меньшая частоты питающего напряжения, так как каждая полуволна выходного напряжения складывается из полуволн фазных напряжений питания; сложность силовой и управляющей схем; искажения формы кривой выходного напряжения, состоящей из отрезков синусоиды питающего напряжения; возможность только однофазного выхода, что ограничивает возможности применения. Целью изобретения являются увеличение диапазона регулирования частоты и упрощение устройства. Эта цель достигается тем, что в вентильном преобразователе частоты с непосредственной связью, содержащем включенные в каждую фазу многофазного источника напряжения трансформаторы с расположенными на них первичными обмотками, подключенными к фазам источника, вторичными, соединенными последовательно, и обмотками управления, и управляемые вентили, каждый из которых включен параллельно соответствующей обмотке управления, управляющие электроды всех вентилей объединены. На фиг. 1 изображена схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - токи цепей; на фиг. 3 - магнитные потоки трансформаторов схемы фиг. 1; на фиг. 4 и 5 - схемы предлагаемого преобразователя (различные варианты). Преобразователь (фиг. 1) содержит восемь идентичных управляемых трансформаторов, подключенных к восьмифазному источнику с нулевым проводом (обозначен «О) питающего синусоидального напряжения угловой частоты. Первичная обмотка 1 каждого трансформатора подключена последовательно с нагрузкой 2 к одной фазе питающего напряжения. Вторичные обмотки 3 всех трансформаторов соединены последовательно, образуя выходную обмотку Н-Н преобразователя. Каждый трансформатор содержит также обмотку 4 управления, замкнутую управляемым вентиле.м (тиристором) 5. Цепи обмоток управления могут быть соединены (фиг. 1) или быть гальванически не связанными. Управляющие электроды всех вентилей 5 объединены и к общим точкам айв подключен источник управляющих импульсов. Сопротивления нагрузок 2 много меньще индуктивных сопротивле ий обмоток 1, если сердечники трансформаторов не насыщены, и много больще их, если сердечники насыщены. Кривые намагничивания сердечников близки к прямоугольным При наличии между клеммами айв постоянного напряжения, достаточного дтя отпирания тиристоров, происходит самонасыщение всех трансфор.маторов. При этом падение напряжения на их обмотках незначительно и по нагрузкам 2 восьми трансформаторов текут синусоидальные токи i, показанные на фиг. 2 тонкими синусоидальными линиями. При отсутствии управляющего сигнала на клеммах айв все тиристоры заперты, практически все напряжение источника приложено к обмоткам 1, и по нагрузкам 2 текут незначительные токи намагничивания, а магнитные потоки Ф восьми трансформаторов изменяются синусоидально, как показано на фиг. 3 тонкими синусоидальными линиями. Максимальный магнитный поток Ф ненасыщенного трансформатора выбирается лищь немногим меньще потока насыщения (см. фиг. 3). Рассмотрим работу восьми трансфор.маторно-вентильных цепей, когда управляющий сигнал подается одновременно на управляющие электроды тиристоров в интервале от ш1 Out / 7. Интервал, в течение которого подается управляющий сигнал, для наглядности показан в нижней части (фиг. 3) прямоугольником со светлыми кружочками. Момент It/ подачи управляющего сигнала для тиристора первой цепи попадает в тот полупериод, когда тиристор может проводить. Так как падение напряжения на проводящем тиристоре и активном сопротивлении обмотки 4 незначительно, то после включения тиристора в момент л магнитный поток практически перестает изменяться (фиг. 3, щтрих-пунктирной линией). Неизменное значение потока сохраняется до конца полупериода tut гГ , когда анодное напряжение тиристора изменяет знак и он перестает проводить. С этого момента магнитный поток возрастает, при (и t (j Ч- л) 19- достигает значения насыщения Фу и перестает изменяться до конца периода uj t 2. Затем поток уменьщается, к моменту а, достигает первоначального значения, и процесс повторяется. В течение двух интервалов 3j u) t jr и 19 u) t , когда магнитный поток не изменяется и падение напряжения на обмотке 1 незначительно, по нагрузке 2 первой цепи течет ток (фиг. 2, щтрих-пунктирной линией). Магнитный поток второго трансформатора, (фиг. 3, точечной линией), в момент л- равен потоку насыщения Фf. Второй тиристор может включиться лищь в момент W t , когда его анодное напряжение станет положительным. С этого момента поток может измениться лищь на очень малую величину, например от с до Ф , соответствующую падению напряжения на проводящем тиристоре и активном сопротивлении обмотки 4, т. е. остается практически неизменным до момента ю t JJT, когда анодное напряжение на тиристоре изменяет знак и он перестает проводить. Сердечник трансформатора опять насыщается, и процесс поз торяется. Так как в течение всего периода магнитный поток второго трансформатора практически не изменяется и индуктивность его первичной обмотки незначительна, по нагрузке 2 второй цепи течет непрерывный синусоидальный ток (точечной линией на фиг. 2). В третьей, четвертой и пятой цепях тиристоры не успевают включиться за время подачи управляющего сигнала (их анодное напряжение отрицательно). Поэтому магнитные потоки третьего, четвертого и пятого трансформаторов изменяются синусоидально, а токи в соответствующих нагрузках 2 отсутствуют. Магнитный поток щестого трансформатора показан на фиг. 3 линией «два тире - точка (.). Так как тиристор включается в самом конце своего проводящего полупериода, магнитнр й поток щестого трансфор.матора не изменяется и по его нагрузке 2 течет ток лишь короткий интервал 3- ш1. Второй такой же интервал, когда сердечник насыщен, отстоит от первого на с , т. е. интервал . Магнитный поток седьмого трансформатора показан на фиг. 3 мелкопунктирной линией. От момента л. он не изменяется до момента ш t изменения знака напряжения и далее возрастает. Приед (fi+д.) IS сердечник насыщается, поток остается неизменным до конца полупериода t 3 -, после чего уменьщается, и процесс повторяется. Ток по нагрузке 2 седьмой цепи течет два интервала, когда поток не изменяется, а именно 3 и 19 со t О (фиг. 2, мелкопунктирной линией). Процесс в восьмой цепи протекает аналогично - пунктирные линии на фиг. 2 и 3; магнитный поток не изменяется и- понагрузке 2 восьмой цепи течет ток в интервалах ш t 3 и 19 и t 7 , Сумма магнитных потоков всех трансфор маторов - потокосцепление обмотки Н-Н, определяющее напряжение на ее зажимах (фиг. 3, кривой 6, сплошная линия со светлыми кружочками. Потокосцепление содержит постоянную составляющую, обусловленную наличием вентилей, и переменную составляющую. Если длительность управляющего сигнала увеличить, напри.мер до интервала (фиг. 3, внизу прямоугольНИКОМ с зачерненными кружочками), то работы всех цепей, кроме трегьей, не изменится. Третий тиристор с.может включиться в начале полупериода своей проводимости 4О t , поэтому магнитный поток третьего трансформатора, как и второго, практически изменяться не будет, а по его первичной обмотке будет течь синусоидальный ток. Потокосцепление обмотки Н-Н в этом случае изображается кривой 7 (сплощная линия с черными кружочками). Если длительность управляющего сигнала увеличить до интервала 3 u)t 7у (фиг. 3, внизу прямоугольником с крестиками), то будет успевать включаться и четвертый тиристор, а магнитный поток четвертого трансформатора также перестанет изменяться. Соответствующая кривая потокосцепления обмотки Н-Н - линия 8 с крестиками. Из сопоставления кривых б, 7 и 8 видно, что длительность управляющего импульса, равная примерно четверти периода, является оптимальной, так как переменная составляющая потокосцепления выходной обмотки имеет при этом наилучщую форму и наибольшее отношение к постоянной составляющей. Как видно из кривых 6-8, переменная составляющая потокосцепления выходной обмотки имеет минимум в мо.мент подачи управляющего сигнала и максиму.м, отстоящий на ji . Следовательно, изменяя момент подачи сигнала внутри периода, можно плавно изменять фазу напряжения на зажи.мах Н-Н. Таким образо.м, преобразователь (фиг. 1) может работать фазовращателем, обеспечивая плавное регулирование фазы напряжения на зажимах Н-Н в пределах 360. Если мо.мент подачи управляющего сигнала из.меняет свое положение от периода к периоду частоты питания, т. е. если частота сигнала не равна частоте питания, то частота напряжения на зажимах Н-Н равна частоте сигнала. Так как частота выходного напряжения равна частоте сигнала, а мощность в нагрузку поступает от источника питания, преобразователь является усилителе.м мощности. Ток в нулевом проводе - сумма токов первичных обмоток трансформаторов - изоб ражен на фиг. 2 кривой 9 для длительности управляющего сигнала З u) t 7 и кривой 10 для длительности сигнала 3 . Частота и фаза основной гармоники этого тока определяются моментами подачи управляющего сигнала, поэтому нагрузка может быть включена и в нулевой провод. В качестве нагрузок 2 удобно использовать многофазные обмотки электрических мащин, например асинхронных двигателей. При питании фазных обмоток машины токами i (фиг. 2) результирующая намагничивающая сила представляет собой бегущую волну, положение и скорость которой определяются моментами подачи управляющего сигнала. Следовательно, преобразователь (фиг. I) позволяет осуществить частотное регулирование скорости привода переменного тока одни.м сигналом управления. Таким образом, преобразователь (фиг. 1) может использоваться для питания как .многофазной, так и однофазной нагрузки. Работа преобразователя (фиг. 1) рассмотрена для простоты при питании от восьмифазного источника. Очевидно, работа его не изменится нри питании от четырехфззного источника, если у половины трансформаторов изменить взаимное направление обмоток 1 и 4. Известно, что в магнитно-вентильном усилителе трансформатор .может быть заменен автотрансформатором, если допустимо про.чождение небольшой постоянной составляющей тока через последовательно включенную нагрузку. На фиг. 4 показана автотрансформаторная схема предлагаемого преобразователя, в которой отсутствуют обмотки управления. Если для улучшения формы кривой выходного напряжения число фаз схемы должно быть больше числа фаз питаюшего напряжения, то первичные обмотки трансформаторов могут быть соединены последовательно, образуя преобразователь числа фаз. На фиг. 5 показана схема преобразователя, который также содержит восе.мь управляемых трансформаторов, но питается от двухфазного источника. Каждый трансформатор содержит первичные обмотки 11 и 12 Числа витков обмоток 11 распределены но сердечннка.м по синусоидальному закону, а обмоток 12 по косинусоидальному закону. При подключении последовате.чьно соединенных обмоток II к первой фазе Л -.X питаюн1его двухфазного напряжения, а обмоток 12 -- к второй фазе В- -У и при отсутствии сигнала управления на клеммах айв, напряжения вторичных обмоток 3 образуют симметричную восьмифазную систему, т. е. их сумма на выходных зажимах Н - Н равна нулю. При подаче управляюпхего сигнала на клеммы а. в работа схемы . 5 приннипиальпо не отличался от работы схемы фиг. 1. Таким образом, данное устройство обеспечивает регулирование частоты как в сторону понижения, так и в сторону повышения относительно частоты питания, и проше по сравнению с прототино.м, так как содержит ,1И1ль один трансформатор и один вентиль на фазу. Предлагаемое устройство функционально является универсальным, так как может обеспечить питание одновременно как однофазной, так и.многофазной нагрузки, может быть выполнено для подключения к источникам питания с различным числом фаз при сохранении неизменным числа фаз схемы и соответственно формы кривой выходного напряжения. Формула изобретения Вентильный преобразователь частоты с непосредственной связью, содержащий вклю ченные в каждую фазу многофазного источника напряжения трансформаторы е расположенными на них первичными обмотками, подключенными к фазам источника, вторичными, соединенными последовательно, и обмотками управления, и управляемые .зонтили, каждый из которых включен napa.iлельно соответствуюидей обмотке управления, отличающийся тем, что, с иелью увеличения диапазона регулирования частоты и унрон1ения, управляюшие электроды всех вентилей обт единены. Источники информаиии, принятые во вни.мание при экспертизе 1.Патент СШ.4 .№ 3368136, кл. 321-7, 1975. 2.Патент СШ.Л, .Vo 3803478, кл. 321-7, 1975. 3..Хвторское свидетельство СССР но ; а2182446/24-07. кл. Н 02 .М 5 16, явке Л9 1975. %7ГJf f f Jf f f 7f 2 Фиг.З 2fr

Фиг. 5