Однофазно-трехфазный преобразовательчАСТОТы Советский патент 1981 года по МПК H02M5/27 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в регулируемых асинхронных электроприводах при однофаз ной питающей сети, например в электрифицированном транспорте переменного тока. Известны устройства для частотно го управления трехфазной нагрузкой при питании от однофазной сети, сод жащие полностью управляемые ключи переменного тока З. Наиболее-простым из них является устройство в котором однофазная сет переменного тока присоединена между анодной и катодной группами трехфаз ного тиристорного моста, каждая ветвь которого образована цепочкой из последовательно соединенных тиристоров, при этом начала фазных обмот ок управляемого асинхронного дви гателя присоединены к общим точкам взаимного соединения тиристоров отдельных цепочек, а концы фаз статор ной обмотки соединены в общую нулев точку. При работе устройства имеет место циклическое поочередное подкл чение к однофазной сети цепочек из последовательно соединенных фаз статорной обмотки, чередуемое с скачкообразным изменением на сто восемьдесят градусов начальной фазы питающего напряжения и последующим поочередным закорачиванием одноименных зажимов двух фаз трехфазной статорной обмотки З. Известно также устройство, которое может быть использовано для частотного управления трехфазным асинхронным двигателем при питании от однофазной сети, содержащие полностью управляемые ключи переменного тока. Устройство выполнено в виде трех преобразующих ячеек, каждая из которых собрана по схеме однофазного инверторного моста на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью, причем одна диагональ моста образует одни силовые входные выводы, подключаемые к сети, а другая диагональ - выходные выводы, подключаемле к гальванически развязанным фазам нагрузки. В этом с.пучае на каждую фазу нагрузки приходится по четыре однофазных ключа переменного тока/ а на все устройство - двенадцать однофазных ключей переменного тока. Преимущество устройства перед известным устройством в лучшем гармоническом составе напряжения на каждой з фаз нагрузки и обусловленном этим лучшении энергетических показателей нагрузки,, в лучшем использовании по напряжению управляемого асинхронного вигателя, в более широких функциональных возможностях, позволяющих осуществить также независимое регуирование, выходного напряжения управяемого трехфазного асинхронного двигателя по мере изменения частоты, в более широких пределах изменения выходной частоты из-за использования искусственной коммутации 4.

Недостаток устройства состоит в относительно большом количестве полупроводниковых ключей переменного . тока, в случае использования в качестве полупроводникового ключа переменного тока двух встречно-параллельно соединенных тиристоров устройство требу-ет не менее двадцати четырех главных силовых тиристоров, если не учитывать тиристоры узлов искусственной коммутащии. Это усложняет подобное устройство, и не способствует повышению его надежности. Кроме того в устройстве недостаточно хорошие энергетические показатели при широких пределах регулирования и частоты вращения двигателя.

Цель изобретения - улучшение энергетических показателей путем улучшения качества выходного тока.

Поставленная цель достигается тем, что известный однофазно-трехфазный преобразователь частоты, содержащий три преобразующие ячейки, каждая из которых включает в. себя пару последовательно соединенных полностью управляемых .ключей с двухсторонней проводимостью, точка соединения которых образует один из двух силовых входных выводов ячейки для подключения их к питакяцей сети, вторые силовые выводы первых ключей образуют первые три выходных вывода

преобразователя, а вторые силовые выводы других ключей этих ячеек связаны с соответствующим выходным выводом другой тройки выходных выводов преобразователя, снабжен тремя двухобмоточными и одним трехобмоточным однофазными трансформаторами, причеМ одна из обмоток каждого из трех дв ухобмоточных трансформаторов подк4ючена параллельно упомянутому первому ключу соответствующей ячейки, другая обмотка каждого из этих трансформаторов образует второй силовой входной вывод соответствующей ячейки , вторым своим концом она через одну из обмоток трехобмоточного транс форматора подключена к одному силовому выводу другой тройки силовых выводов преобразователя, а точка cQeдинения обмоток двухобмоточного К трехобмоточного трансформаторов подсоединена к второму силовому ву

воду упомянутого другого ключа этой же ячейки.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройстваJ на фиг. 2 - вариант реализации преобразователя в тиристорном исполнении; на фиг. 3 - эпюры, характеризующие перекл очение полностью управляеКых ключей переменного тока .{а -в) преобразующих ячеек, коммутационная функция (г), определяющая напряжение на обмотках трехобмоточного трансформатора и коммутационные функции (д - ж), определяющие фазные напряжения нагрузки; на фиг. 4 - эпюры фазных напряжений (а - в) и напряжения на обмотках треобмоточного. трансформатора (г); на фиг. 5 - эпюры, характеризующие переключение ключей преобразователя при регулировании величины его выходного напряжения.

Устройство на фиг. 1 содержит три однофазных двухобмоточных трансформатора, между одними 1-3 и другими 4-6 обмотками которых пофазно-последовательно соединены фазы нагрузки - обмотки 7 статора двигателя и расположенные на общем магнитопроводе обмотки трехобмоточного однофазного трансформатора 8, одноФазные двухобмоточные трансформаторы свободными концами своих обмоток 1 и 4 и соответственно 2 и 5 и 3 и 6 присоединены к шина:м 9 и 10 питающей однофазной сети.

Точки соединения цепочек из фаз статорной обмотки 7 и отдельных обмоток трехобмоточного однофазного трансформатора 8 с первичными обмотками 1, 2, 3 однофазных двухобмоточных трансформаторов присоединены к входной шине 9 ключами 11 - 13, а к входной шине 10 - ключами 14 - 16.

Вариант принципиальной схемы преобразователя на фиг. 2 соответствует исполнению полностью управляемого полупроводникового ключа переменного тока в виде диодного моста, выход которого зашунтирован цепочкой из дросселей и тиристора. Аноды пар шунтирующих тиристоров ключей . 11, 14, 12, 15, 13, 16 соединены конденсаторами соответственно 17 - 19, а их катоды - конденсаторами 20 22. Во избежание запирания шунтирующего тиристора в момент прохождения через нуль тока фазы статорной обмотки или обмотки соответствующего транформатора в состав диодного моста введена дополнительная ветвь из диодов на относительно малый ток, подсоединенная к питающей сети через фазосдвигаквцее сопротивление (например конденсатор) относительно большо величины.

На фиг. 3 а представлена эпюра переключений полностью управляемых ключей 11 и 14; на фиг. S б - ключей 12 и 15; на фиг. 3 в - ключей 13 и 16, Аналогичное соответствие между эпюрами переключения и номерами ключей на фиг. 5. Работа устройства начинается с момента времени, когда замкнут полупроводниковый ключ 14. В этот интервал времени первый трансформат вторичная обмотка 4 которого закоро чена, работает в режиме короткого за№1кания и потому Падением напряужения на его первичной обмотке 1 мо но пренебречь, тогда напряжение на последовательном соединении первой фазы статорной обмотки 7 с первой обмоткой многообмоточного однофазного трансформатора 8 не будет отличаться от напряжения питающей однофазной сети; В соответствии с алгоритмом переключений через половину периода циклов коммутации происходит размыкание ключа 14 и замыкание ключа 11 Это приведет к подключению обмотки первого трансформатора к питающей о нофазной сети, к наведению на обмот ке 4 этого трансформатора ЭДС той же величины, что и напряжение сети к изменению на сто восемьдесят градусов начальной фазы напряжения на фазе 7 статорной обмотки управляемо го асинхронного двигателя. Аналогично протекают электромагн ные процессы в цепи обмоток 2 и 5 второго двухобмоточного трансформат ра и соответствующей им цепочки из второй фазы статорной обмотки 7 асинхронного двигателя с второй обмоткой трехобмоточного однофазного трансформатора 8, а также в цепи обмоток 3 и б третьего двухобмоточн го трансформатора и соответствукяцей ей цепочки из третьей фазы статорно обмотки 7 с третьей обмоткой трехобмоточного однофазного трансформатора 8. Эти процессы обусловлены по чередным переключением полупроводниковых ключей 13 и 15 - цепи второ фазы статорной обмотки двигателя со гласно эпюры фиг. 3 б и (фиг. 5 б) и ключей 13 и 16 - цепи третьей фаз статорной обмотки согласно эпюры фиг. 3 в (и фиг. 5в) . Напряжение на последовательном с динении отдельных фаз статора с соо ветствующими обмотками трехобмоточного однофазного трансформатора 8 можно представить произведением (на пример для одной фазы) U,,tu;,t). При этом напряжение на обмотке трехобмоточного трансформатора (фиг. 4 г) определяется так ). а фазное напряжение обмотки статора (фиг. 4 а) следующим образом и-,(), где tj - напряжение .питающей х:ети Ч-Ц«1 (V - круговая частота питающей сети, Шц -.частота циклов коммутации. Частота основной составляющей напряжения нагрузки выражается разностью между частотой сети и частотой циклов ком1 тации. Если частота циклов коммутации превышает частоту питающей сети, то прямую последовательность фаз образуют те составляющие напряжения на каждой из указанных выше цепочек цепи нагрузки, частоты KotopHX выражаются как разностью, так и суммой частот сети и :циклов коммутации, совпадут по знаку также и соответствующие им состав ляющие электромагнитного момента, что способствует расширению вверх диапазона частотного управления асинхронного двигателя. Составляющие намагничивающих сил прямого следования фаз различных фаз двигателя взаимно уравновешиваются в трехобмоточном трансформаторе 8 с однофазным сердечником и потому не отзовут заметных падений напряжения в его обмоткгих. Те составляющие напряжений, не указанных выиз цепочках, частоты которых выражаются разностью или суммой частоты сети и произведения частоты циклов коммутации на целое число, кратное трем, :образуют нулевую последовательность фаз, соответствующие им составляющие намагничивающих сил во всех обмотках трансформатора 8 совпадут по фазе и создадут результирующее значение по величине составляющие магнитного потока холостого хода в общем для них ферромагнитном сердечнике, что обуславливает выделение этих составляющих напряжения исключительно на обмотках трансформатора в и исключение этих составляющих напряжения на фазах статорной обмотки асинхронного двигателя. Очень большое индуктивное сопротивление холостого хода для этих составляющих намагничивающей силы нулевого следования фаз, получаемое в трансформаторе 8 с ферромагнитным сердечником, обуславливает соответствующее уменьшение тепловых потерь в предлагаемом устройстве по сравне нию с известными устройствами подобного рода, не ймеганими такого трансформатора. Независимое регулирование напряжения частотноуправляемого асинхронного двигателя в предлагаемом устройстве осуществляется изменением соотношения между интервалами включенного состояния ключей 11 - 13 и соответствующих им ключей 14 - 16 согласно фиг. 5. Гармонический состав эпюр переключающих функций фиг, 5 показывает, .что каждая из этих функций в этом случае содержит также постоянную составляющую, величина которой возрастает по мере увеличения глубины регулирования напряжения. Постоянная; составляющая в соста ве переклйзчакядих функций ключей 11 16 вызывает появление составляющих частоты питающей сети в напряжениях цепочек из обмоток трансформатора 8 и различных фаз статорной обмотки 7 двигателя, которые также образуют ну левую последовательность фаз и потом .аналогично предлагаемому выше выделя ются исключительно в обмотках трансформатора 8; это обуславливает сущест венное уменьшение тепловых потерь в частотоуПравляемом двигателе 7 при ш роком диапазоне регулирования его ча тоты вра111ения, сопровождаемом одновременным независимым регулированием напряжения.. Формула изобретения Однофазно-трехфазный преобразо--вателъ частоты, содержа1цкй три преобразующие ячейки, .каждая из которых включает в себя пару последовательно соединенных полностью управляемых ключей с двухсторонней проводимостью точка соединения которых образует один из двух силовых входных выводов ячейки для подключения их к питающей сети, вторые силовые выводы первых ключей ячеек образует- первые три выходных вывода преобразователя, а вторые силовые выводы других ключей атшс ячеек связаны с соответству щим выходным выводом другой тройки выходных выводов преобразователя, отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетических показателей путем улучшения качества выходного тока, он снабжен тремя двухобмоточными и одним трехобмоточным однофазныгли трансформаторами, причем одна из обмоток каждого из трех двухобмоточных трансформаторов подключена параллельно упомянутому первому ключу соответствующей ячейки, другая обмотка каждого из этих трансформаторов одним концом образует второй силовой входной вывод соответствующей ячейки, вторым своим концом она через одну из об-. моток трехобмоточного трансформатора подключена к одному силовому- выводу другой .тройки силовых выводов преобразователя, а точка соединения обмоток двухобмоточного и трехобмоточного трансформаторов подсоединена к второму силовому выводу упомянутого другого ключа этой же ячейки. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Рутманис Л. А, Однофазно-трехфазный полупроводниковый преобразователь частоты с искусственной коммутацией тиристоров. Известия АН Латв. ССР, сер. физ. и техн. наук, 1967, 2, 112. 2.Авторское свидетельство СССР № 226013, кл. Н 02 М 5/27, 01.09.65, 3„ Патент ОНА 3889167, кл, 318-227, опублик. 10.06..75.. 4„ Мыцык Г, С, Исследование и разработка- способов преобразования параметров электрической энергии с помощью статических преобразователей. Канд. дис. М., МЭИ, 1972, с. 49, 119-126.

ЧГ

)

S 6

S

ж

-cat

ж 6

-Ut.

1Ж

6