1
Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразователям переменного, напряжения повышенной частоты в переменное напряжение пониженной частоты или в постоянное выпрямленное с естественной коммутацией управляемых вентилей напряжения в широком диапазоне.
Известны статические преобразователи , с помощью которых можно преобразовать переменное напряжение в переменное напряжение пониженной частоты или в постоянное напряжение.
Известен преобразователь частоты с непосредственной связью и с улучшенной формой кривой выходного напряжения . Улучшение формы достигается не путем изменения угла управления Ы , а за счет того, что вторичные обмотки трехфазного трансформатора нормальной частоты выполнены с равным числом витков 1.
В таких преобразователях отношение частоты передающей и приемных сетей неизменно, т.е. регулирова- . ние частоты выходного напряжения не возможно.
Известны также непосредственные преобразователи частоты, в которых приближение формы выходного напряжения достигается путем изменения угла управления oi. При этом возможно регулирование частоты выходного нап- ряжения, а также величины выходного напряжения в широком диапазоне 2.
Недостатки таких преобразователей низкий коэффициент мощности, наличие вредных гармоник, возникнове j. ние уравнительных токов (в непосредственных преобразователях частоты с совместным управлением группами). Все это вынуждает увеличить мощность, следовательно и массу, фильтров гармоник, устройств локализации и подавления радиопомех, уравнительных реакторов и т.д.
Известны также методы дискретного преобразования величины и формы выходного напряжения З и 4.
20
В частности, известен способ и устройство дискретного преобразования переменного напряжения, где регулирование выходного напряжения в широком диапазоне реализовано без
25 искажения .формы выходного напряжения (.уголоСво всем диапазоне регулирования равен нулю). Так как угол . oL неизменен и равен нулю, а изменяется дискретно лишь амплитуда синусоидального напряжения, то во всем
диапазоне регулирования коэффициент мощности остается неизменно высоким и не зависящим от режима работы преобразователя, условия для появления радиопомех отсутствуют. Указанные регуляторы переменного тока могут быть использованы в сочетании со вспомогательным выходным преобразователем для преобразования часто- -. Ты 4.
Наиболее близким к предлагаемому является статический преобразователь содержащий п преобразовательных ячее выполненных Под одной из однофазных инверторных схем на ключах с двусторонней проводимостью, и выходные тра форматоры, вторичные обмотки которых соединены последовательно и образуют суммирующую цепь. Входы инверторных ячеек образуют силовые входные выводы преобразователя,а суммирующая цепь присоединена к силовому входу выходtiofi п реобразовательноя ячейки, выполняющей роль демодулятора f 5 J.
He ocтaткoм известного преобразователя является повышенные масса и потери, а также ухудшение saepreTHческих характеристик.
Цель изобретения - уменьшение массы и потерь, а также улучшение энергетических характеристик преобразователя.
Поставленная цель достигается тем в статическом преобразователе, содержащем п на фазу преобразовательных ячеек, выполненных по одной из однофазных инверторных схем на ключах с двусторонней проводимостью, своими силовыми входами через т-фазный трансформатор подключаемые к питающей.сети,а выходами подключенные к первичным обмоткам выходных трансформаторов ,вторичные обмотки которых соединены последовательно и образуют суммирующую цепь, присоединенную к входу основной выходной преобразовательной ячейки, m суммирующих цепей соединены звездой или треугольником, к общим точкам соединения этих m сумГШ- рующих цепей и к входам основной выходной преобразовательной ячейки, выполненной т-фазной, подключен один из выводов каждой фазной выполненной в виде m секций вторичной обмотки питающего трансформатора, дополни.±ельно введенные т-фазные выходные прёобразовательные ячейки, числом равные числу указанных секций, своиМи1входами подк/почены к выводам по крайней мере одной из секций упомянутых обмоток, а секции вторичной обмотки т-фазного трансформатора и суммирующая цепь в каждой из m фаз соединены последовательно.
При этом выходы дополнительно введенных т-фазных выходных преобразовательных ячеек могут быть соединены параллельно с выходом основной выходной преобразовательной ячейки.
Кроме того, выходы дополнительно введенных т-фазных выходных преобразовательных ячеек могут быть соединены последовательно с выходом ос-г новной выходной преобразовательной ячейки.
На фиг.1 и 2 изображены схемы Однофазно-Однофазных преобразователей, два варианта; на фиг.З диаграммы, поясняющие образование формы выходного напряжения; на фиг.4 схема трехфазно-однофазного преобразователя/ на фиг.5 - схемы трехфазно-однофазного преобразователя, вторичные обмотки трансформатора которого (или обмотки генератора) выполнены в виде двух секций, на фиг. 6 блок трансформаторов в преобразователе, изображенном на фиг.5, на фиг.7 - полная схема преобразовательной ячейки; на фиг.8 - схема трехфазно-однофазного преобразователя, вторичные обмотки трансформатора которого выполнены в виде трех секций; на фиг.9 - то же, модификация схемы; на фиг.10 - 12 - преобразователи, выходы преобразовательных ячеек которых соединены последовательно, три варианта; на фиг.13 и 14 - преобразователи, у которых фазность питающего напряжения увеличивается комбинированием двух систем питания, варианты на фиг.15 и 16 - многофазнотрехфазный преобразователь, собранный из однофазных преобразователей, изображенных на фиг.9, структурная схема и временные диаграммы, поясняющие формирование его выходных
напряжений. I
Статический преобразователь частоты (фиг.1 состоит из блока 1 тран форматора, преобразовательных ячеек 2 - 4, выходы которых присоединены к сети переменного напряжения (питающему т-фазному трансформатору или генератору переменного тока), а выходы - к трансформаторам 5-7, вторичные обмотки которых соединены последовательно, образуя суммирующую цепь. Ячейки 2-4 собраны на ключах 8-19. Один из выводов суммирующей цепи присоединен через ключи 20 и 21 к входным выводам преобразователя , а другой - к одному из входных выводов выходного преобразователя, собранного на ключах 22-25. Вое ключи преобразователя должны -обладать двусторонней проводимостью.
Преобразователь работает следующи образом.
Так как блоки 1 трансформатора и ячейки 2-4 образуют регулятор переменного напряжения дискретного действия 4 }, то с помощью схемы управления,снабженной задающим генератором синусоидального напряжения низкой частоты, по величине меньшей частоты питающего напряжения , на входе выходной преобразовательноП ячейки (ключи 22-25/ формируется кривая из отреЗ ков синусоид с огибающей, близкой к синусоидальным полуволнам, а на выходе близкой к синусоиде. На этих же элементах может быть собрана другая схема статического преобразователя, в которой исключено последовательное соединение ключей ключи 20 и 21). На фиг.2 показан простейший однофазный преобразователь, содержащий блок силовых трансформаторов, которы присоединен через мостовые преобразо вательные ячейки 2-4 к. выходным зажимам преобразователя. Вторичные обмотки трансформаторов 5-7 соедине ны последовательно между собой и с первичным источником питания. Преобразовательные ячейки 2-4 собраны на ключах 8-11, 12-15 и 16-19 соответственно. Выход первичного источника пита шя присоединен к входу основной выходной преобразовательной ячейки (ключи 20-23. Последовательно включенные вторичные обмотки трансформаторов присоединены к входу выходной вспомогательной ячейки на ключах 20, 21, 24, 25, выход которой соединен параллельно с выходом основной выход ной преобразовательной ячейки на клю чах 20-23 (ключи 20 и 21 являются общими для обоих ячеек), Образование формы выходного напря жения преобразователя поясняется с помощью диаграмм (фиг.З). Форма выходного напряжения показана на фиг.З где изображены также уровни U . которые могут быть реализованы на выходе статического преобразователя. Реализация уровней возможна, например, посредством известного 4 способа. Уровни, которые необходимо реализовать на выходе с частотой, пропорциональной частоте питающей сети, с помощью схемы управления определяютс следующим образом. Через интервалы 2R;/r,i с помощью cxeNM сравнения определяется мгновенное, значение входного напряжения и ближайщий уровень, пропорциональный этому значению входного напряжения. Необходимый уровень может быт определен и графически (фиг.За).Так, в момент t мгновенное значение вход ного сигнала находится между уровня BX.r (фиг. За). Измеренное в момент t;j число уровней в кодовой форме запоминается и реализуется затем с задержкой t на выходе преоб разователя в момент IQ (фиг.36) в ви де полуволны напряжения с частотой питающей сети и Q. амплитудой, пропор циона ьной входному сигналу полуволны питающего напряжения на выходе преобразователя. При этом форма этих полуволн неизменна, а их амплитуда изменяется в соответствии с вкодным сигналом так,что огибающая этих полуволн после выпрямления близка к форме входного напряжения (фиг.Зб). Точность реализации амплитуды полуволны определяется величиной шага квантования напряжения по уровню. Отклонение амплитуды при этом не превышает половины шага квантования. Выходное напряжение получается как алгебраическая сумма напряжений вторичных обмоток трансформаторов 5-7 и первичного источника питания. В качестве примера на фиг.З в-е показана комбинация напряжений .i .г. 1 введен в работу, пбрвичный источник исключен для интервала t -t2 (фиг.36). Выходное напряжение на этом интервале определится как суглма этих напряжений (фиг.Зж). в отличие от преобразователя (фиг.1) преобразователь (фиг.2) не содержит ключи, соединенные последовательно с вторичными обмотками трансформаторов и источником питания, что позволяет уменьшить его массу и потери. Для улучшения гармонического состава выходного напряжения в данном случае требуется установка фильтра. Масса фильтра может быть уменьшена увеличением числа фаз питающей сети, На фиг.4 показан вариант статического преобразователя, выполненного на основе многофазного первичного источника питания. Устройство его аналогично описанному. Блок трансформаторов присоединен через преобразователь ячейки 2-4 к первичному источнику питания (например, к трансформатору 26), соединенному последовательно с обмотками блока 1 транс- форматоров 6. При этом обмотки трансформаторов присоединень к входу вспомогательной ячейки 27, а обмотка первичного источника питания - к входу преобразовательной ячейки 28. Выходы ячеек 27 и 28 соединены между собой параллельно. В преобразователе (фиг.5) обмотки первичного источника питания расчленены на две секции. Такой преобразователь состоит из блока 1 трансформатора, полная схема которого показана на фиг.б, а также из преобразовательных ячеек 2-4, с помощью которых трансформаторы присоединены к первичному источнику 26. Полная схема такой преобразовательной ячейки показана на фиг.7. Обмотки первичного источника расчленены на две секции 29-31, 32-34.. К общим точкам соединения секции 35-37 присоединен вход вспомогательной преобразовательной ячейки 38. Преобразовательная ячейка 27 присоединена к крайним выводг1М первичного источника., а ячейка 28 - к выходу блока 1. Выходы ячеек 27, 28 и 38 соединены параллельно и работают на .общую нагрузку 39, В этом преобразователе, как и в преобразователе, показанном на фиг.4, улучшен гармонический состав выходного напряжения за счет уве личения фазности напряжения первичного источника питания,вследствие чего уменьшается масса фильтра;. Во многих случаях фильтры вообще могут отсутство вать. Кроме того, в преобразователе С фиг.5 уменьшение массы достигается за счет расчленения обмоток различного источника на равные секции. В этом случае уменьшается масса транс-j форматоров блока и масса преобразонательных ячеек 2-4, хотя масса исто ника 26 возрастает. Статический преобразователь (фиг. как и преобразователь (фиг.57 содержит трансформаторный блок 1, который в частности, может быть выполнен ана логично блоку ( фиг.67, и преобразовательные ячейки 2-4, которые наполняются аналогично ячейкам (фиг.77 ил по другой схеме. Отличие этого преобразователя от преобразователя, .изображенного на фиг.5, состоит В том, что обмотки первичного источника 26 расчленены на три секции: 29-31, 32-34 и 40-42 соответственно. Введена еще одна, кроме 27, 28, 38, преобразовательная ячейка 43. Все секции соединены между собой последо вательно и присоединены последовател но к вторичным обмоткам блока 1 тран форматоров, но сами преобразовательные ячейки выполнены не по мостовым, а по нулевым схемам, а выходы ячеек 27, 28, 38 и 43 включены параллельно. Во всех преобразователях (фиг.2, 4, 5 и 8) при формировании по мере увеличения мгновенного значения, выход ного напряжения от нуля до максималь ного значения вводятся сначала все уровни, которые могут быть получены на выходе трансформаторного блока 1, получаемые с помощью преобразователь ных ячеек 2-4, При этом работает только та преобразовательная ячейка, которая непосредственно связана с вы ходом блока 1 (зажимы X, У), т.е. преобразователь 43 (фиг.8) или преобразователь 28 (фиг.5) и т.д. Затем вводятся секции обмоток первичного источника питания в порядке возрастания величины напряжения. Например, в преобразователе (фиг.8 сначала вводятся секции 40-42, затем секции 32-34 и наконец секции 29-31. Статический преобразователь (фиг.9) аналогично преобразователю (фиг.8) содержит трансформаторный блок 1 и преобразовательные ячейки , 2-4, связи между которыми показаны упрощенно. Первичный источник питания также расчленен на три секции, но фазные обмотки 29-31 имеют общую точку соединения (соединены звездой). Кроме этого, предусмотрены дополнительные отводы на обмотках 29-31, 44-46, 47-49 и 50-52 соответственно. К этим отводам присоединены нулевые т-фазные преобразовательные ячейки 53-55. Эти же отводы могут быть использованы для построения преобразователя с многофазным выходом, схема которого описана ниже. Преобразовательная ячейка 56 присоединена на выходе блока 1 с помощью -зажимов 57-59. К этим же зажимам присоединены ячейки 53-55. Таким образом, и , в данном случае выходы ячеек 53-56 оказываются включенными параллельно на общую нагрузку 39, имеющую общую точку соединения (зажим 60) с нулевым выводом первичного источника питания. В этом преобразователе при возрастающем выходном напряжении вводятся сначала уровни, получаемые с помощью ячеек 2-4 на выходе блока 1 при работающей ячейке 56 и включается ячейка 55 .(первая ступень первичного источника;. При этом напряжение первой ступени первичного источника питания суммируется с выходным напряжением блока 1, изменяющегося дискретно с помощью ячеек 2-4. При дальнейшем увеличении выходного напряжения .выводится ячейка 55 и вводится следующая ступень первичного источника.с помощью ячейки 54 и т.д. Если же выходное напряжение достаточно велико, то на практике часто целесообразно выходы преобразовательных ячеек соединять не параллельно как у преобразователей (фиг.2, 4, 5, 8, 9), а. последовательно (фиг. 10-12). Преобразователь (фиг.10 содержит трансформаторный блок 1 и преоб-; разовательные ячейки 2-4, которые выполнены аналогично рассмотренным преобразов.ателям. Вторичные обмотки первичного источника 26 расчленены на три секции: 29-31, 32-34 и40-42 соответственно. К первичным обмоткам 61-63 источника 26 присоединены входы ячеек 2-4, а вторичные - к выходам ячеек 27, 28 и 38. Выходы блока, присоединены к входам ячейки 43. Разница состоит в ТОМ, что выходы всех этих преобразовательных ячеек соединены Здесь не параллельно, а последовательно. Однако в этом случае в цепь нагрузки уровни при возрастании выходного напряжения вводятся в той же последовательности: сначала вводятся уровни, сформированные на выходе .блока 1 с помощью ячеек 2-4 при работе ячейки 43 в режиме выпрямителя и включенных парах сквозных ключей преобразовательных ячеек 27, 28 и 38 (две других лары сквозных ключей включенных парах СКЁОЭНЫХ ключей ячеек мыканий секций 29-31, 32-34, соответственно).; при дальнейшем уве
личении выходного напряжения вводится, кроме ячейки 43, ячейка 27 при включенных парах сквозных ключей 28 и 38; затем вводится ячейка 38 при введенных ячейках 27 и 43 и включенной паре сквозных ключей ячейки 28; и, наконец, вводится последовательная ячейка 28. Как видно из схемы при описанном алгоритме работы ячеек 27, 28 и 38 секции вторичных обмоток источника 26 оказываются включенными между собой и обмотками трансформаторов блока 1 последовательно, а выходное напряжение равно алгебраической сумме последовательно включенных обмоток первичного источника питания и блока 1. Такие преобразователи могут быть рекомендованы при преобразовании высоких напряжений и наличии нескольких отдельных первичных источников (например, синхронных генераторов) по числу секций. С целью уменьшения потерь в ячейках 27, 28 и 38 их выполняют либо по упрощенной мостовой схеме (совмещены катодные и анодные группы следующих друг за другом ячеек), как это показано на фиг.11, либо ячейки выполняют по нулевым схемам, вводя дополнительные ключи 64-67 для шунтирования ячеек и блока 1 для исключения из суммирующей цепи ЭДС соответствующей ячейки (фиг.12). При этом секции вторичных обмоток источника 26 питания (фиг.11) вводятся в цепь суммирующей цепи следующим образом.
Чтобы ввести три секции, включают ключи 68-71 (вводится в цепь линейное напряжение ) или ключи 7275 fвводится в цепь линейное напряжение Ug(j), или ключи 76-79 (вводится в цепь линейное напряжение )-. Для того, чтобы ввести две секции включают ключи 68-70 и 79 (вводится в цепь линейное напряжение идр), ключи 72-74 и 71 (вводится линейное напряжение Ug), ключи 76-78 и 75 (вводится динейное напряжение UCA,). Если необходимо ввести линейное напряжение одной секции, то включают поочередно ключи.68, 69, 78, 75 или ключи 72, 73, 70 и 79 или ключи 76, 77, 74, 71. В этом случае секции обмоток источника 26 и блока 1 включаются в суммирующую цепь также.последовательно. То же можно сказать и о преобразователе на фиг.12.
На фиг.13 и 14 показаны варианты, в которых фазность питающего напряжения увеличивается комбинированием двух систем питания: одна из систем питания осуществляется входньлм трансформатором, первичная обмотка которого соединена звездой, а вторая треугольником. К входам преобразователей,, 2-4 (фиг.13 и 14) присоединяются выходы двух систем питания (по схеме звезды и треугольника) с обозЗначением 2б и 26, которые присоеди нены к общим шинам сети А, В,, С. Вторичные обмотки расчленены на секции, включенные последовательно между собой и обмотками трансформаторного блока 1 , связанного через преобразовательные ячейки 80-82 с выходом первой питающей системы 26 (соединение звездой). Секции второй системы 26 по схеме треугольника также соединены последовательно между собой и с обмотками блока 1, .который связ.ан через ячейки 83-85 с выходом второй пит-еющей сети (соединение треугольп НИКОМ}. Так как выходы ячеек 2-4 соединены параллельно на общую нагрузку
I
5 39, то последовательность ввода напряжений в этом случае ничем не отличается от ранее описанного преобразователя с параллельным включением выходных ячеек. Отличие схемы по фиг.13
0 от схемы по фиг.14 состоит лишь в исполнении ячеек 2-4. В первом случае преобразовательные ячейки 2-4 выполнены в виде двух последовательно включенных мостов, а во втором случае 5в виде параллельно включенных мостов. Выше были описаны преобразователи, в которых первичная система напряжений выполнена по однофазной или многофазной системе и вторичная система напряжения, полученная преобразоDвателем первичной системы, была однофазной. Трехфазная система вторичных напряжений может быть получена объединением трех описанных однофазных преобразователей в одну трехфазную.
5 В качестве примера на фиг.15 показана трехфазная система, полученная из трех однофазных преобразователей, изображенных на фиг.9, условно показанных на фиг.15-в виде блоков 2-4.
0 Блоки 2-4 питают трехфазную нагрузку 86 .
Преобразователи с многофазной системой питающей сети позволяют существенно приблизить форму выходного напряжения к синусоидальной.
5
На фиг. 16 утолщеннЕлми линиями показаны кривые Uog , , Ugg трехфазной системы выходных напряжений при соотношении частот первичных и вторичных напряжений, равном трем и
0 . Для наглядности.для кривой Ugg показана огибающая UQg(,,.C увеличением частоты и фазности первичных напряжений форма выходного напряжения приближается к синусоидальной и уже при
5 действующее значение выходного напряжения мало отличается от дейст.вующего значения первой гармоники, оставаясь неизменным во всем диапазоне регулирования выходного напряже0ния.
По сравнению с известными преобразователями предлагаемые отличаются не только гармоническим составом выходного напряжения. При синусоидаль5ном управляющем сигнале в предлагаемых преобразователях возможно достижение коэффициента сдвига равного единице, в то время, как в нашедших сейчас практическое применение непос редственных преобразотелях частоты теоретическое значение коэффициента сдвига равно 0,8436. Высокое значени коэффициента сдвига в преобразователях по предлагаемой схеме объясняется тем, что угол управления в процес се образования формы выходного напряжения остается неизменным и равным нулю. Выжным свойством предлагаемых пре образователей является то, что при числе фаз выходного напряжения более двух, нагрузки фаз обмениваются реак тивной мощностью между собой, не потребляя реактивной энергии из сети. Предлагаемый преобразователь не требует установки .компенсирующих устройств, в то время,как в известны непосредственных преобразователях он требуется. Резко уменьшается масса фильтров гармоник первичного тока и выходного напряжения, а также масса устройств локализации и подавления радиопомех вследствие отсутствия бол ших скоростей наращивания токов и напряжений при коммутации тиристоров угол регулирования которых при дискретном способе равен нулю. Так как гармонический состав выхо ного напряжения при дискретном спосо бе управления лучше, чем при фазовом то внешние характеристики предлагаемых преобразователей проходят ниже, чем при фазовом управлении и будут несколько жестче. При совместном управлении группами выходных преобразовательных ячеек уравнительные токи не возникают вслед ствие равенства мгновенных напряжени групп, поэтому в предлагаемых преобразователях установка уравнительных реакторов не требуется, что позволяет не только сохранить хорошие динамические характеристики, не прибегая к увеличению массы преобразователя з счет уравнительных реакторов, но и улучшить такие показатели, как быстродействие, перерегулирование, линей ность характеристик. Предлагаемые преобразователи могу работать не только в режиме преобразов.ателей частоты, но и в режиме реверсивных и нереверсивных выпрямителей. Такиепреобразователи тоже будуф иметь более высокие показатели: улучшенный гармонический состав входных токов и выходных напряжений, независимость гармонического состава выходного напряжения от степени регулирования выходного напряжения, повышенный коэффициент мощности и т.д. Формула изобретения 1. Статический преобразователь, содержащий п на фазу преобразовательных ячеек, выполненных по одной из Однофазных инверторных схем на ключах с двухсторонней проводимостью, своими силовыми входами через т-фаз ный трансформатор подключаемые к пи тающей сети, а выхода ми подключенные к первичным обмоткам выходных трансформаторов , вторичные обмотки которых соединены последовательно и образуют суммирующую цепь, присоединенную ко входу основной выходной преобразовательной ячейки, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью улучшения энергетических и массо-габаритных показателей, m суммирующих цепей соединены звездой или треугольником, к общим точкам соединения этих суммирующих цепей и ко входам основной выходной преобразовательной ячейки, выполненной т-фазной, подключен один из выводов каждой фазной выполненной в виде секции вторичной обмотки питающего трансформатора,, дополнительно введенные т-фазные выходные преобразовательные ячейки, числом равные числу указанных секций, своими входами подключены к выводам по крайней мере одной из секций упомянутых обмоток, а секции вторичной обмотки т-фазного трансформатора и суммирующая цепь в каждой из m фаз соединены последовательно. 2.Преобразователь по п.1, о тличающийся тем, что выходы дополнительно введенных т-фазных выходных преобразовательных ячеек соединены параллельно с выходом основной выходной преобразовательной ячейки. 3.Преобразователь по п.1, о т лич.ающийся тем, что выходы дополнительно введенных т-фазных выходных преобразовательных ячеек соединены последовательно с выходом основной выходной преобразовательной ячейки. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Каганов И.Л. Электронные и ионные , преобразователи. М., Л., ГЭП, 1956, с.455, фиг.5.50. 2.Жемеров Г.Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью. М., Энергия, 1977. 3.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2556418/07, кл. Н02М 5/12,. 19.12.77. 4.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2580023/07,кл. Н02М5/12, 19.12.78. 5.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2480779/07,кл. Н02М 5/12, 28.08.78.
24.
{.
i/.l
k 1
5
Уёх.г
K7US;.25
27
28
TJ
38
3 03 4jXjVj2y 2A 7 Фиг.6
о оOvs
f I .
9
0
86
. 15
