Трансформаторно-тиристорный непосред-СТВЕННый пРЕОбРАзОВАТЕль чАСТОТы Советский патент 1981 года по МПК H02M5/27 

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике, а именно к классу непосредственных преобразователей частоты, и может быть использовано для питания частотно управляемых электроприводов переменного тока, при построении автономных энергоустановок с переменной скоростью вращения привода генератора для получения стабильной частоты, а Ьакже для питания различных электромагнитных устройств, работающих на принципе бегущего поля, например для питания линейных двигателей или установок электромагнитного перемешива-ния жидких металлов.

Известны непосредственные преобразователи частоты, выполненные по нулевой или мостовой схемам l.

Однако силовая часть их сравнительно сложна, так как содержит большое число управляемых ключевых элементов. Кроме того,- учитывая, чтб преобразователь в силу своего принципа работы обеспечивает выходное напряжение по основной гармонике меньше , чем выходное напряжение в подавляющем, числе случаев, требуется уста.новка на входе преобразователя согласующего трансформатора. Для тех слунаев, где применение согласующего трансформатора неизбежно, целе;сообразно использовать его не только с целью-согласования, но также и для других целей, например для упрощения силовой части самого преобразова- теля.

Известны также непосредственные преобразователи частоты, для которых

0 характерным является наличие согласующего трансформатора с несколькими комплектами вторичных трехфазных обмоток, нагруженных на трехфазные вентильные мости, на выходах по пос5тоянному току которых установлены .полностью управляемые ключевые эле- . менты. При выполнении ключевых элементов преобразователя в виде тиристоров для их запирания (так как они стоят в

0 цепи постоянного тока) используют блоки принудительной коммутации. При этом, как правило, последовательно с тиристорами включают обмотки дросселя, являющиеся составной частью бло5ка коммутации, а остальная часть блока коммутации может быть .выполнена в различных модификациях PI, Г3,).

Наиболее близким к предлагаемому .является преобразователь, содержащий трехфазный трансформатор с первичной обмоткой, подключаемой к трехфазной питающей сети, комплекты вторичных трехфазных обмоток , соединенных iB звезду и подключенных ко входам трехфазных вентильных мостов, причем выходы каждого из этих мостов нагружены на ключевые элементы в виде |последовательно соединенных обмотки дросселя и тиристора, а нулевые точки комплектов вторичных обмоток трансформатора образуют выходные выводы преобразователя. Блок коммутации этого преобразователя содержит распределительные и разделительные вентили, соединяющие аноды и катоды основных тиристоров с выходными выводами однофазного тиристорного моста, в. диагонали переменного тока которого установлен коммутирующий конденсатор, а также цепочки из последовательно включенных перезарядных вентиля и обмотки дросселя, подключенные параллельно упомянутым ключевым элементом fsj.

К недостаткам известного преобразователя относятся сравнительная сложность силовой части, состоящая, в частности, в том, что число комплектов выходных обмоток достаточно велико и равно (под подразумевается число входных фаз, участвующих вформировании выходного напряжения) а пониженный КПД или ухудшенные массогабаритные показатели из-за несовершенства блоков коммутации.

Цель изобретения - упрощение преобразователя и улучшение его КПД.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователи частоты, содержащем т-фазный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к т-фазной питаквдей сети, а комплекты вторичных т-фазных обмоток, соединенных в звезду, подключены ко входам т-фазных вентильных мостов, причем выходы каждого из этих мостов нагружены на управляе1.ме ключевые элементы, один из трех выходных выводов каждого из т-фазных вентильных мостов образован точкой объединения одного из входных выводов, .а остальные входы этих мостов подключены к разноименным концам вторичных т-фазных обмоток трансформатора. Кроме того, при выполнении каждого из упрарляемых ключевых элементов в виде последовательно соединенных обмотки коммутирукяцего дросселя и основного тиристора с блоком принудительной коммутации, содержащим коммутирующий конденсатор, а также управляемые распределительные вентили, разделительные вентили и цепочку из последовательно включенных перезарядных обмотки дросселя индуктивности и вентиля, разделительные вентили выполнены управляемыми, обкладками коммутирующего конденсатор- подключены к силовым вьЛодам основных тиристоров

через распределительные и разделительные, управляемые вентили, причем с каждой из обкладок конденсатора свзаны катоды одной половины и аноды другой половины основных тиристоров.

На фиг. 1 представлена принци- . пиальная электрическаясхема предлагаемого преобразователя Для случая % 6; на фиг. 2 - то же, блока ком дутации/ на фиг. 3.- модификация блока коммутации для случая регул.ируемого по напряжению преобразователя, на фиг. 4 - схема замещения преобразователя на одном из коммутационных интервсзлов, поясняющая принцип формирования выходного напряжения; на фиг. 5 - временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя.

Трансформаторно-тиристорный непосредственный преобразователь частоты содержит т-фазный трансформатор 1 с первичной обмоткой 2 и со втричными обмотками 3-14, диодные мост 15-20 с управляеьфлми ключевыми элементами 21-26. При мощностях до единиц кВА В: настоящее время в качестве ключевых элементов целесообразно использовать транзисторы, а при больших мощностях -тиристоры с блоками коммутации.

В преобразователе (фиг. 1 а) каждый ключевой элемент 51-26 выполнен в виде последовательно соединенных основных тиристоров, например, 27 и 28 и обмоток.29 и 30 коммутирующего дросселя 31, причем все основные обмотки хорошо магнитосвязаны между собой за счет соответствующей их намотки и расположения на общем магНитопроводе. Помимо основных обмоток дросселя индуктивности в устройство коммутации входит также блок 32 конденсатора, включающий в себя, в частности, конденсаторы 33 и 34 (для

упрощения изложения, основные обмоТки дросселя и тиристоры, а также коммутирующие конденсаторы обозначены выборочно в минимальном их числе, необходимом лишь для пояснения работы преобразователя). .

Наряду со своей простотой (отсутствие дополнительных вентилей), первый вариант блока коммутации (фиг.1а) имеет ухудшенные массогабаритные показатели из-за большого числа коммутирукщих конденсаторов. Этих недостатков лишен второй вариант блока коммутации, (фиг. 1 б). Он содержит распределительные тиристоры 35 - 40, разделительные вентили 41-46 и лишь один коммутируквдий конденсатор 47 в диагонали переменного тока однофазного моста на тиристорах 48-51, причем выход этого моста зашунтирован цепочкой из тиристора 52 и обмотки 53 дросселя, предназначенной для форсированного перезаряда конденсатора 47.

Недостатком этого блока является несколько заниженный КПД из-за увеличенного числа последовательно включенных в контурах коммутации вентилей.

Исключающим и этот недостаток,в известной мере, является блок kOMмутации, представленный на фиг. 2. Он соденжит распределительные тиристоры 35 - 40, но разделительные вентили 41-46 выполнены управляемыми/ а коммутируквдий конденсатор 47 подключен непосредственно между точками соединения распределительных и разделитвл1зНых тиристоров и зашунтирован двумя перезарядными цепочками из последовательно соединенных обмоток 54 и 55 дросселей и тиристоров 56 и 57. По сравнению со вторым вариантом этот блок коммутации содержит несколько большее число тиристоров, однако благодаря такой структуре его построения общее число вентилей в нем меньше, а КПД выше из-за меньшего вдвое числа последовательно соединенных вентилей в контурах коммутации. В обоих вариантах Дво втором и третьем)бло.ка коммутации обмотки 53, 54 и 55 дросселей перезарядных цепочек магнитосвязаны с основными обмотками дросселя 31, причем числа витков этих неразрядных обмоток 53, 54 и 55 выбирают больше числ витков основных обмоток дросселя 31. Это позволяет ограничить накопление энергии в коммутирующем конденсаторе 47 и избежать увеличения установленной мощности элементов преобразователя.

Характерным для втогого и третьего вариантов блока коммутации является использование одного коммутирующего конденсатора вместо шести (в первом варианте), что и определяет, с одной стороны, лучшие массогабаритные показатели, а с другой - различные области их применения. Первый вариант блока коммутации целесообразно применять при повышенных, а второй и третий - при пониженных частотах коммутации (f|уу ) .

В -ряде случаев требуется не тольк регулирование частоты, но и регулирование величины напряжения. Возможность регулирования выходного напряжения в данном преобразователе . обеспечивается введением дополнительного седьмого диодного моста 58, нагруженного на аналогичный управляемы ключевой элемент 59 в виде, например, тиристора с последовательно соединенной обмоткой 60 коммутирующего дросселя 31 (фиг. 3).. Блок коммутации (фиг. 1 а) при этом снабжается еще одним коммутирующим конденсатором, подключенным на выход моста 58, аблок (фиг. 3) - двумя дополнительными тиристорами 61 и 62. В последнем случае изменяется соответствующим образом схема соединения распределительных и разделительных тиристоров. В тех случаях, когда задача огра ничения накопления энергии на конденсаторе решается иными путями, перезарядная цепочка может быть выполнена с одной обмоткой 63, расположенной на отдельном сердечнике.

Преобразователь работает следующим образом.

На фиг. 4 представлена схема за0мещения для одного из моментов времени, когда замкнут один из диодных мостов, например, 15. При замы;кании управляемого ключевого элемента 21 к нагрузке прикладывается напряжение от пары совместно действующих вторичных обмоток 3 и 4 трансформатора 1. На рассматриваемом отрезке действуют напряжение фаз а

20

U3--U sinuJ t;

U (aJ t-12o°).

Используя метод суперпозиции, несложно показать, что напряжение на фазах нагрузки в этом случае будет равно: и

V--:jf-Sin(uLi,t-30°);

-sivi (u t-iso),

вгъ

Uvn

.- 51П.(),

гдец, - круговая частота,

Ц-кп - максимальное значение напряжения на вторичных обмоткак трансформатора 1.

В результате поочередного, последовательного подключения всех комплектов вторичных обмоток на фазах нагруз.ки формируется напряжение, показанное на фиг. 5 б, причем частота основной гармоники напряжения равна

Д® д частота переключения управляемых ключевых элементов.

Алгоритмы переключения ключей преобразователя Улдпоказаны на фиг. 5 в.

Блок коммутации (фиг. 1 а) рабо- та.ет следуищим образом.

Предположим,что основной тиристор 27 (ключевой элемент 21) открыт, а остальные основные тиристоры (ключевые элементы 22-26) закрыты. Тогда на конденсаторе 33 напряжение практически отсутствует, а точнее, равно падению напряжения на цепочке из последовательно соединенных основного тиристора 27 и обмотки 29 дросселя. Основные конденсаторы заряжены Напряжением от вторичных обмоток 5 14 через соответствующие мосты 16 20, в результате чего эти конденсаторы заряжаются с полярностзью, показанной на конденсаторе 34, т: е. с плюсом на правой обкладке. При родаче сигнала на управляющий электрод тиристора 28 последний открывается и конденсатор разряжается по цепочке 34 28-30-34. Под действием тока разряда конде сатора 34 в обмотке 30 дросселя наводится ЭДС с полярностью, указанно на схеме,. Так как все обмотки дросселя магнитосвязаны то в обмотке 29 наводится ЭДС того же знака, которы приводит к запиранию тиристора 27 за счет приложения к нему обратного напряжения по контуру 29-27-ЗЗт29. При подаче сигнала на управляющий электрод тиристора ключевого элемента 23-процесс запирания тиристора 28 осуществляется аналогичным путем. Последовательность управляюших сигналов, подаваемых на тиристо ры ключевых элементов 21 - 26, носи программный циклический характер (см. фиг. 5 в). это приводит к пооч редному подключению комплектов вторицных обмоток к нагрузке и к форми ванию на последней, квазисинусоидаль |ного напряжения с частотой J , зависящей от частоты д следования управляющих сигналов. Блок коммутации (фиг. 1 б) работает следующим образом. Для запирания, например, тиристо ра 27 при полярности конденсатора 47, показанной без скобок, отпирают тиристоры 35, 48 и 49 и к запираемому тиристору приклсЩывают напряжение обратной полярности по контуру 47-4 -35-27-41-49-47. После этого тиристоры 34, 48, 49 и 52 запираются ест ственным путем из-за спадения проте кающего через них тока до О, После выдержки времени, необходимого для восстановления запирающих свойств этих тиристоров, конденсатор 47 перезаряжают путем включения тиристора 52 и через некоторое время блок готов для запирания следующего о,снов ного, тиристора. Блок ког/ мутацни. (фиг. 2) работает следукщим образом. При полярности напряжения на конденсаторе, показанной без скобок, для запирания тиристора 27 отпирают тиристоры 35 и 41. После выдержки рамени, необходимого для запирания этого тиристора, включают перезарядный тиристор 56 и кодденсатор 47 форсированно перезаряжается через обмотку 54 дросселя 31. Для запирания следукяцего тиристора 28 включают тиристоры 36 и 42, а затем после соответствующей задержки - тиристор 57 Далее процесс повторяется. В. регулируемом по напряжению варианте используется блок коммутации (фиг. 3. Регулирование выходу ного напряжения осуществляют введением регулируемой паузы между переключениями основных тиристоров. Замыкание реактивного тока нагрузки в моменты регулировочных пауз обеспечивают включением тиристора 59 моста 58. В этом случае напряжением конденсатора 47 с полярностью, показанной без скобок, осуществляют запирание основных тиристоров, а запирание тиристора 59 моста 58 - напряжением с полярностью, показанной с скобках, путем отпирания соответствующих тиристоров. При использовании предлагаемого непосредственного преобразователя частоты для построения автономных систем электроснабжения подвижных объектов, выполненных в виде синхронного генератора и преобразователя, необходимость в трехфазном трансформаторе отпадает, а вторичными обмотками трансформатора в этом случае являются расцепленные на соответствующее число секций якорные обмотки генератора. Таким образом, предлагаемый преобразователь по сравнению с известным отличается простотой своей конструкции за счет исключения двух трехфазных вторичных комплектов обмоток, а в тиристорном выполнении позволяет :повысить КПД за счет более рационального построения блока коммутации. Предлагаемый принцип упрощения силовой части и блока коммутации распространяется также на трансформаторнотиристорные преобразователи с любым числом. Например, при 3 преобразователь содержит лишь три моста (15, 17 и 19) без соответствующих распределительных .и разделительных вентилей. Кроме того, варианты блоков принудительной коммутации могут быть использованы в неупрощенных (по силовой части) преобразователях частоты трансформаторно-тиристорного типа. Формула изобретения 1. Трансформаторно-тиристорный непосредственный преобразователь частоты содержащий т-фазный трансформатор с комплектами вторичных т-фазных обмоток, соединенных в звезду, т-фазные вентильные мосты, выходы каждого из которых нагружены на управляемые ключевые элементы, а входы подключены ко вторичным т-фазным обмоткам разных фаз различных комплектов m-фазного трансформатора, причем нулевые точки комплектов вторичных обмоток образуют выходные вывода прербразователя, отлиуающийс я тем, что, с целью упрощения, дин из трех выходных выводов преобазователя образован точкой объединения ОДН9ГО из входных выводов каждого из упомянутых т-фазных вентиль- ных мостов, а остальные входы этих мостов подключены к разноименным кон цам вторичных т-фазных обмоток транс форматора. 2. Преобразователь по п. 1 кажды из ключевых элементов которого выполнен в виде последовательно соединённых обмотки коммутирующего дрос селя и основного тиристора с блоком принудительной коммутации, содержащим коммутирующий конденсатор, управ ляеглые распределительные вентили, разделительные вентили и цепочку из последовательно, включенных перезаряд ных вентиля и обмотки дросселя индуктивности, разделительные и перезарядные дроссели и вентили, о т л ч а ю щи и с я тем, что разделительные вентили выполнены управляемыми , обкладки коммутирующего конгСИгтИ л I 1 1 «1 -Ur л а)л| 1-jHb- I ЛКдУI , 1 -T byJI у, I Kff jf«yg «ywg денсатора подключены к силовым выводам основных тиристоров через распределительные, и разделительные управляемые вентили, причем с каждой из обкладок конденсатора связаны катоды одной половины и аноды другой половины основных тиристоров. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР W 133950, кл. Н 02 М 5/30, 1960. 2. Электротехника, 10, 1966. 3.Патент Швейцарии № 476419 кл.- Н 02 Р 7/62, Н 02 Р, 13/30, 1969. 4.Патент Японии 48-31408, кл. 56 В 3, .1973.х 5.Патент США № 3435321, кл. 321-7 1969. 6.СВ. Современные задачи преобразовательной техники, вып. 2. Киев, Институт электродинамики АН УССР, 1975, с. 132-140. Л1 К CI -iTTi « У« у« i I i . il, I I .. i rW «« M tWl 1 1 я с I -M t 1 I « v I I 1 M t F LJr4 LJMLf L f i t ИГ w