Статический преобразователь частоты

 

СТАтаЧЕСКИЙ ПРЮВРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащий трансформатор с вращающимся магнитным полем, вход ная и выходная трехфазные обмотки которого выполнены с различным числом полюсов - 2р1 и 2р2 и расположены на общем кольцевом магнитопроводе по типу магнитопровсда электрических машин переменного тока,отличающийся тем, что, с целью з лучшения энергетических характеристик и расширения функциональных возможностей, в Него введены многофазный выпрямитель и многофазный полупроводниковый инвертор, вьшолненные по многофазным многоблочным мостЬвым схемам, а кольцевой магнитопровод трансформатсфа дополнительно снабжен двумя многофазными обмотками , выполненными с различным чис лом полюсов, причем концы одной многофазной обмотки с числом полюсов 2р1 подключены к входу многофазного выпрямителя, а концы второй многофазной оймотки с числом полюсов 2р2 подключень к вькоду многофазного полупроводникового инвертора, соединенного своим входом постоянного тока с выходом многофазного выпрямителя .- . CD 4а

аа «11

359 Н 02

/»-ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

;g/

Н ABTOPCNONhf. Саю аТвЛЬств i

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИОМИТЕ;Т СФОР .

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ONPtRlO (21) 3589393/24-07 . (22) 12.05.83 (46) 07.10.:84. Вюл. В 37 (72) В.Ф.Шукалов, А.Н.Тихонов, В.А.Иванов и Н.А.Иванова (71) Ленинградский институт авиационного приборостроения (53) 621.314.27 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 758431, кл. Н 02 И 5/27, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР

9 782084, кл. Н 02 И 5/27, 1978.

3. Авторское свидетельство СССР

Ф 930530, кл. Н 02 И 5/27, 19?7.

4. Попов В.И. Электромашиниые совмещенные преобразователи частоты.

N., "Энергия", 1980, с. 5-9.

5, Загрядцкий В.И. и др. Введение в бесконтактные электромеханические системы повышенной частоты. Кишинев, Штиинца, 1975, с. 68, рис. 24 (прототип). . (54) (57) СТАТИЧЕСКИЙ ПРЮБРАЗОВАТЕЛЬ

ЧАСТОТЫ, содержащйй трансформатор

° с вращающимся магнитньаю полем, вход:ная и выходная трехфазные обмотки . ° которого выполнены с различным числом полюсов - 2р1 и 2р2 и располо- жены на общем кольцевом магннтопроводе по типу магнитопровода электрических машин переменного тока; отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетических характеристик и расширения функциональных возможностей, в него введены многофазный выпрямитель и многофазный полупроводниковый инвертор, выпол,ненные по многофазным многоблочным мостбвым схемам, а кольцевой магнитопровод трансформатора дополнительно снабжен двумя многофазными обмотками, выполненными.с различным чис- Я лом полюсов, причем концы одной многофазной обмотки с числом полюсов

2р1 подключены к входу многофазного ив выпрямителя, а концы. второй многофазной обмотки с числом полюсов 2р2 подключены к выходу многофазного полупроводникового инвертора, соединенного своим входом постоянного тока с .выходом многофазного выпрямителя,.

f 1117

Изобретение относится к области илоной преобразовательной техники, в частности к статическим преобразователям магнитовентильного типа, в которых используется трансформатор, выполненный на магнитопроводе по типу статора электрической машины переменного тока с вращающимся магнитным полем, и может найти применение в системах электропитания в ,1О качестве вторичного источника напря- жения стабильной или изменяющейся частоты с трансформаторным входом и выходом, например, для питания разнообразных потребителей, частота

15 питания которык выше или ниже частоты промышленной сети, а также для одновременного питания потребителей постоянным током.

Известны преобразователи частоты, для которых характерным является на20 личие двух многообмоточных трансформаторов входной и выходной частоты, используемых для целей согласования уровней напряжений питающей сети, преобразователя и нагрузки, как разделительные, н в то же время как ферромагнитные преобразоватеЛи числа фаз для организации многофазной структуры преобразования, обеспечивающей высокое качество потребляемого тока и выходного напряжения преобразователей 1 3- t.3 ).

Наличие в этих преобразователях нескольких трансформаторов соизмери. мой мощности, выполненных на магни- И топроводах разных типоразмеров, приводит к увеличению массы и габари- . тов, .повышенному расходу активных и конструкционных материалов на единицу мощности преобразователя, большой 4б установленной мощности трансформаторного оборудования и повышению трудоемкости erо изготовления.

Известны электромашинные преобра. зователи частоты,-в которых использован принцип совмещения нескольких вращающихся магнитных полей в общем магнитопроводе. Такие совмещенные преобразователи частоты представляют собой электрическую машину; на статоре и роторе. которой в общих пазах размещены разнополюсные обмотки ."отдельных" машин преобразователя, между которыми взаимная индуктивная связь отсутствует. 55

Такое совмещение магнитных систем нескольких электрических машин в общем магнитопроводе снижает массу

794 2 и габариты преобразователя, улучшает использование активных материалов, повышает энергетические показатели и дает значительный экономический эффект (4 ).

Однако недостатками электромашинных совмещенных преобразователей частоты являются плохие виброакустические характеристики, износ щеток и подшипников, механические потери, пониженный коэффициент мощности требует применения емкостной компенсации; В таких преобразователях при определеннык условиях одновременное действие в совмещенном магнитопроводе несколько магнитных полей может привести к возникновению значительных электромагнитных сил вибрационного характера, способных привести к нарушению нормальной работы преоб разователя, возрастанию намагничивающих токов и магнитных потерь, появлению дополнительных шумов.

Наиболее близким к предлагаемому является статический ферромагнитный преобразователь частоты с вращающимся магнитным полем, содержащий общий кольцевой магнитопровод, выполненный по тину магнитопроводов машин переменного тока, в пазах. которого расположены многофазные первичная и вторичная обмотки с различным числом полюсов, а на ярме магнитопровода расположена обмотка подмагничивания, питаемая от выпрямительного моста, подключенного зажимами переменного тока к концам первичной обмотки.

Принцип действия такого преобразователя,представляющего собой трансформатор с насыщенным вращающимся и постоянным магнитными полями ферромагнитным магнитопроводом, основан на выделении высших гармонических

ЭДС четного или нечетного порядка во вторичных обмотках, полюсность которого кратна номеру выделяемых гармоник. Простота, компактность, надежность и относительная дешевизна отличают его от преобразователей других типов. Применение в таких преобразователях частоты совмещенных обмоток позволяет усовершенствовать их конструкцию и улучшить массогабаритные показатели устройства (5).

Однако использование в известном преобразователе частоты трансформатора с насыщенным магнитопроводом приводит к большим потерям энергии в нем, и как следствие, невысокому

4 4 ного выпрямителя, а концы второй многофазной обмотки с числом полюсов

2р2 подключены к выходу многофазного полупроводникового инвертора, соединенного своим входом постоянного тока с выходом многофазного выпрямителя.

Реализация в таком преобразоватет ле идеи магнитного совмещения трансформаторов входной и выходной частот за счет использования свойств вращающихся магнитных полей. позволяет выполнить входную и выходную трехфазные разнополюсные обмотки,. а также многофазные разнополюсные, обмотки в пазах одного общего магнитопровода с подключением многофазных обмоток к многофазному выпрямителю и многофазному инвертору. Такой

"двухчастотный" трансформатор с вращающимся магнитным полем обладает минимальными весом и габаритом, благодаря пониженному расходу активных и конструкционных материалов уменьшается установленная мощность трансформаторного оборудования. Использование "двухчастотного" трансформатора в совокупности с многофазным выпрямителем и подключенным к нему многофазным инвертором с соответствующими многофазными вентильными обмотками позволяет при высоком качестве потребляемого преобразователем тока и выходного напряжения .расширить диапазон регулирования выходной частоты преобразователя при нагрузке различного характера по отношению к частоте питающей сети, достичь плавности регулирования частоты, а также одновременно питать потребителей постоянным током. Такое построение преобразователя частоты при многократном преобразовании обеспечивает более высокий КПД и меньшую установленную мощность в сравнении с известным устройством, а также высокое качество потребляемого преобразователем тока и выходного напряжения.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого преобразователя частоты на примере выполнения выпрямителя и полупроводникового инвертора по эквчвалентной и-фазной и

I схеме; на фиг. 2 - схема пространственного расположения обмоток трансформатора для этого случая. А, В, С— з 1779 входному коэффициенту мощности и КПД.

Дпя повышения коэффициента мощности и улучшения внешней характеристики преобразователя в нем устанавливаются дополнительные конденсаторы емко- 5 сткой компенсации, соизмеримой с преобразователем мощности, что приводит к увеличению веса и габаритов устройства. Кроме того, вследствие незначительности амплитуды и мощности у рабочей гармоники повышенной частоты тока коэффициент использования установленной мощности преобразователя является низким. В связи с этим неэффективно также,использование гармоник выше третьей. Получение больших кратностей преобразования частоты возможно при каскадном соединении преобразователей, однако это усложняет устройство, приводит к увеличенному расходу активного материала, большому весу, снижению

КПД. Этот преобразователь частоты невозможно использовать в широком диапазоне частот, а. также при колеба->5 киях напряжения питающей сети, что ограничивает область применения устройства.

Целью изобретения является улучшение энергетических характеристик преобразователя частоты: повышение коэффициента мощности, КПД, уменьшение установленной мощности оборудо.вания при широком диапазоне регулирования частоты и расширение функциональных возможностей устройства при повьвпенных требованиях к качеству потребляемого преобразователем тока и выходного напряжения .

Для достижения поставленной цели .в статический преобразователь часто- 40ты, содержащий трансформатор с вращающимся магнитным полем, входная и выходная трехфазные обмотки которого выполнены с различным числом полюсов — 2р1 и 2р2, и расположены на общем кольцевом магнитопроводе по типу магнитопровода электрических машин переменного тока, введены многофазный выпрямитель и многофазный полупроводниковый инвертор, выполненные по многофазным многоблочным мостовым схемам, а кольцевой магнитопровод трансформатора дополнительно снабжен двумя многофазными обмотками, выполненными с различным 55 m-фазной соответственно мостовой числом полюсов, причем концы одной многофазной обмотки с числом полюсов 2р1 подключены к входу многофаз1117794

1О фазы входной обмотки; а, Ъ, с - фазы выходной обмотки U> Е1 — напряжение и частота питающей сети переменного тока; U<, f> — напряжение и частота выходного напряжения преобразовате- э ля; n — число блоков многофаэного выпрямителя; ш — число блоков многофаэного инвертора; А„-А„, В„-В„, С -С1, — фазы многофазной обмотки с чйслом полюсов 2р1; а„-а„„ b„-Ь с„-с„„ - фазы многофазной обмотки .с числом:. полюсов 2р2.

Иногофазный трансформатор 1 с вра щающимся магнитным полем выполнен на одном общем кольцевом шихтованном магнитопроводе 2, в одних и тех же пазах которого размещены следующие обмотки, выполненные по типу обмоток машин переменного тока: входная трехфазная обмотка 3 с числом полюсов

2р1, выходная.трехфазная обмотка 4 с числом полюсов 2р2, многофазная обмотка 5 с числом полюсов 2р1 и многофазная обмотка 6 с числом полюсов 2р2. Многофазные обмотки 5 и 6 разделены на симметричные трехфазные группы, соединенные каждая звездой.

Входная обмотка 3 соединена в звезду.

Выводы ее фаз А, В, С являются входом преобразователя и подключены к трех- 30 фазной первичной сети переменного тока с частотой Е„ и напряжением 01.

Многофазный выпрямитель 7 выполнен на основе трехфазной мостовой схемы с параллельным соединением и выпрями-35 тельных блоков и подключен своими входными выводами переменного тока к концам 1раз А„-А„, В -В„, С.„-C> многофазной обмотки 5. Выход многофазного выпрямителя 7 соединен с вход- 40 ными выводами постоянного тока многофазного полупроводникового инвертора 8, который также выполнен на основе трехфазной мостовой схемы с параллельным соединением ш инвер- 45 .торных блоков. Выходные выводы переменного тока многофазного инвертора 8 подключены к концам фаз а„-а„„

Ь„-Ь„,, с„-с многофазной обмотки 6.

Выводы фаз а„Ь„с выходной обмотки 4,50 соединенной в звезду, являются выхо-. дом преобразователя, с них снимается трехфазное напряжение U> с частотой,f<. ю

Входная трехфазная обмотка 3 трансформатора и многофазная обмотка 5, как и выходная трехфаэная обмотка 4

;и многофазная обмотка 6, индуктивно связаны друг с другом. Между обмотками 3 и 5 с числом полюсов 2р1 и обмотками 4 и 6 с числом полюсов 2р2 взаимная индуктивная связь отсутствует.

Преобразователь работает следующим образом.

При подключении входной обмотки 3 трансформатора к трехфазной первичной сети переменного тока с частотой й.1 в кольцевом магнитопроводе 2 трансформатора образуется вращающееся 2р 1-полюсное магнитное поле Ф„. Поскольку фазы обмотоки 5 имеют индуктивную связь с полем Ф„, на выводах переменного тока выпрямйтеля 7 действует многофаэная система ЭДС. Трехфазные группы обмотки 5 расположены с пространственным электрическим сдвигом на угол

Т(/Зь друг относительно друга (фиг. 2).

На выходе многофазного выпрямителя 7 формируется постоянное напряжение П,1 с малым коэффициентом пульсаций .и частотой пульсаций G„f„, которое поступает на входные выводы многофазного инвертора 8. Вентильные мосты инвертора коммутируются с временным сдвигом л/3 пи формируют в фазах обмотки 6 многофазную систему напряжений с частотой f . Результирующее вращающееся 2р2-полюсное магнитное поле ф2 системы .токов этой обмотки наводит в индуктивно связанной с этим полем выходной обмотке 4 трехфазную систему многоступенчатых ЭДС с низким процентным содержанием высших гармоник. Таким образом, обмотки 3 и 6 создают в общем кольцевом магнитопроводе трансформатора 1 два одновременно действующих разнополюсных магнитных поля

Совместное действие в общем магнитопроводе раэнополюсных полей ф„и

Ф налагает определенные условия на выбор электромагнитных нагрузок трансформатора

Иагнитопровод трансформатора должен быть ненасыщенный, что является одним иэ условий синусоидального распределения магнитных полей ф и

1 ф по своим полюсным делениям и .одновременно исключает проникновение входной частоты на выход преобразовйтеля, и наоборот, а также обеспечивает высокое качество потребляемого преобразователем тока и выходного напряжения. Для этой же цели применяется многофазное построение выпрямителя и инвертора преобразователя

4 3

Благодаря тому, что магнитные цепи трансформатора ненасыщены и в них практически отсутствуют воздушные зазоры, намагннчивающий ток трансформатора незначителен (3-8X) и преобразователь имеет высокий коэффициент мощности на входных зажимах (СозЧ 4),, следовательно, в нем нет необходимости в установке, компенсирующих конденсаторов. Реактивный ток нагрузки преобразователя замыкается через группы обратных диодов инвертора и цепь постоянного тока без влияния на величину коэффициента мощности на входе.

Внешняя характеристика этого преобразователя является более пологой, чем у известного.

При больших кратностях преобразования частоты хорошо. используется уста новленная мощность трансформатора преобразователя. Амплитуда основной рабочей гармоники вращающегося магнитного поля Ф не зависит от соотношения частот Е1 и f . По этой же причине мощность и КПД преобразователя практически не зависят от выходной частоты. Диапазрн выходной частоты преобразователя, который задается автономным многофазным инвертором 8, ограничивается только свойствами материала магнитопровода трансформатора 1.

Нормальное функционирование устройства при нагрузках различного характера обеспечивается многофазной структурой преобразования, позволяющей получить близкое к синусоидальному распределение магнитных полей

@ и Ф по полюсным делениям „и т .

Преобразователь сохраняет свою работоспособность при колебаниях напряжения питающей сети.

Инвертор и выйрямитель преобразователя могут быть выполнены и по другим схемам, обеспечивающим высокое качество потребляемого тока и выходного напряжения, например по резонансным или каскадным, однако это ограйичит. диапазон возможных нагрузок, с которыми работает данный преобразователь.

Таким образом, по сравнению с известным предложенный преобразователь частоты имеет более высокий совЧ на входе, что обеспечивается отсутстви-. ем насыщенных магнитных полей в, трансформаторе, низким содержанием высших гармоник в разнополюсных вра<цающихся полях и отводом реактивного тока. через обратные диоды инвертора.

7 111779 поскольку при такой структуре в тран- . сформаторе образуются круговые магнитные поля с малыми пульсациями и высокой степенью равномерности вращения. Вращение магнитных полей ф и ф может быть как согласным, так и встречным.

Обмотки трансформатора необходимо выполнять, устраняя взаимные индуктивные связи между разнополюсными обмотками, расположенными в общих пазах, т.е. необходимо устранить влияние поля ф 2р1-полюсной обмотки 3

1 на 2р2-полюсные обмотки.4 и 6 и поля

Ф 2р2-полюсной обмотки 6 на 2р1 полюсные обмотки 3 и 5. Это достигает- . ся выбором соответствующих шагов обмотки, соответствующим распределением катушечных групп в фазах, ограничением числа параллельных ветвей обмоток.

Так, например, при соотношении чисел пар полюсов обмоток р2/Р13 обмотка 3 и обмотка 4 трансформатора взаимоиндуктивно друг с другом не связаны, если обмотка 3 с числом полюсов 2р1 выполнена двухслойной с шагом у =

iI

= 2/3i где 1- полюсное деление поля,ф1, и соединена в одну или две параллельные ветви, а обмотка 4 с числом полюсов 2р2 выполнена однослой- о ной или двухслойной с диаметральнйм шагом у = где — полюсное деленИ е .2 -2 поля ф:, и соединена в одну параллельную ветвь 1а = 1). При соотношении чисел пар полюсов обмоток 2p/Р1 2 об-З5 мотка 3 и обмотка 4 трансформатора взаимоиндуктивно .друг с другом не связаны, если общотка 3 с числом полюсов 2р1 выполнена однослойной или двухслойной с диаметральным шагом у = г 40

"1 1Л а обмотка 4 с числом полюсов 2р2 выполнена с шагом у. ь и соединена в одну параллельную ветвь.

В этих случаях вредные действия электродействующих сил, наводимых в 45 катушечных группах обмотки 3 полем ф и в катушечных группах обмотки 4 полем Ф„, сводятся к нулю, и эти обмотки можно соединить как звездой, чаек и треугольником. Такие условия устра- 30 нения вэаимоиндуктивных связей между двумя разнополюсными обмотками,. расположенными в общем магнитопроводе, справедливы и для многофазных обмоток 5 и 6. Основным условием выбора M числа лазов магнитопровода является воэможность выполнения многофазных обмоток с требуемым числом полюсов.

11

При выходной мощности 4 кВт преобразователь имеет на входных зажимах сова О, 95 (у известного cos М 0,2-0,4, что требует установки конденсаторов емкостью 200 мкФ).

Предложенное устройство преобразует промышленную частоту 50 Гц в повышенную частоту в диапазоне 40017794 10

1500 Гц при КПД не менее 78Х и массе преобразователя: 115 кг и допускает регулирование частоты и величины вы- ходкого напряжения. В известном устройстве возможно получение только удвоенной (100 Гц) или утроенной (150 Гц).частоты при КПД 62-75Х, массе 185 кг и выходной мощности преобразователя 4,5-6,2 кВт.

U2 Уг

1117794

Составитель Г. Мыцык

Редактор Т. Кугрышева Техред.Л.Коцюбняк Корректор 1:.Сирохман

Заказ 7273/41, Тираж 666 . Поднисное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4