@ -фазный преобразователь частоты с квазисинусоидальным выходным напряжением

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение при построении источников вторичного электропитания и частотно-управляемых электроприводов. Цель изобретения - уменьшение массы и габаритов преобразователя и расширение его функциональных возможностей за счет обеспечения регулирования значения выходного напряжения. К вторичным обмоткам трехфазного входного трансформатора 1 подключены силовые входы трехфазных модуляторов 4-6. Управляющие входы трехфазных модуляторов 4-6 подключены к выходу распределителя импульсов 3 через фазосдвигающие блоки 10-12. Напряжение, подаваемое на силовые входы трехфазных модуляторов 4-6, имеет частоту F 1, а на их управляющие входы - частоту F 2. Напряжение разностной частоты F 1-F 2 поступает через трехфазные фильтры-трансформаторы 7-9 на выходные выводы преобразователя. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (дц 4 Н 02 М 7j5395

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (2 l ) 4200701/24-07 (22) 25.02 ° 87 (46) 15.11.89. Бюл. Р 42 (71) Куйбышевский политехнический институт им. В. В. Куйбышева и Московский энергетический институт (72) П. М. Фридман и Г. С. Мыцык (53) 621.314.58(088.8) (56) Современные задачи преобразовательной техники. Сборник. Ч,4, Киев:

ИЭД АН УССР, 1975, с.137, рис.1. (54) m-ФАЗНЫИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

С КВАЗИСИ1!УСОИДАЛЬ11ЫМ ВЫХОДНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ (57) Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение при построении источников вторичного электропитания и частотноуправляемых электроприводов. Цель

„„SU„„1522367 А 1

2 изобретения — уменьшение массы и габаритов преобразователя и расширение его функциональных возможностей за счет обеспечения регулирования значения выходного напряжения. К вторичным обмоткам трехфазного входного трансформатора 1 подключены силовые. входы трехфазных модуляторов 4-6.

Управляющие входы трехфазных модуля- торов 4-6 подключены к выходу распределителя импульсов 3 через фазосдвигающие блоки 10 12. Напряжение, подаваемое на скповые входы трехфазных модуляторов 4-6, имеет частоту

F<, а на их управляющие входы — частоту Р . Напряжение разностной часто- д, ты F, — F< поступает через трехфазные фильтры-трансформаторы 7-9 на выходные выводы преобразователя. 2 з.п.

h-лы, 11 нл, ) 1522367

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение при построении источников вторичного электропитания, предназначенных, например, для питания частотно-управляемых электроприводов, особенно в тех случаях, в которых требуется повышенное качество выходного напряжения и тока нагрузки, согласование уровней напряжений питания и потребителя, регулирование в широких пределах или стабилизация выходного многофазного напряжения, изменение, выходной частоты от значений, близких к нулевым, до заданных, а также бесконтактное автоматическое изменение порядка чередования фаз для реверса двигателей при ограничениях на массогабаритные показатели устройства„ И реализующего эти функции.

Цель изобретения — уменьшение массы и габаритов преобразователя и расширение его функциональных возможностей за счет обеспечения регулирования значения выходного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что преобразователь, содержащий а-фазный входной трансформатор с первичной

m-фаэной обмоткой и с ш группами втоЗО ричных m-фаэных обмоток с напряжениями частоты F

На фиг. 1 представлена блок-схема трехфазного преобразователя частоты (m = 3), на фиг. 2 — прчнципиальная

35 схема силовой части трехфазнОго преобразователя; на фиг. 3 — то же, трехцепевого переключателя переменного тока; на фиг. 4 — схема фаэосдвигающего блока; на фиг. 5 — диаграммы, 0 поясняющие процесс формирования выходного напряжения; на фиг. 6 — диаграммы, поясняющие работу фильтра-трансформатора; на фиг. 7 — диаграммы напряжений преобразователя с регулируемым выходным напряжением; на фиг. 8, 9 — диаграммы напряжений преобразователя постоянного напряжения в квазисинусоидальное," на фиг. 10, 11 — диаграммы, поясняющие формирование управляющих сигналов переключате50 лей.

Рассмотрим один иэ примеров КоН кретного выполнения преобразователя частоты, когда m = 3.

Преобразователь содержит три группы трехфаэных вторичных обмоток, рас.,положенных на магнитопроводе трехфазного входного трансформатора 1 (фиг. 1) с входными напряжениями частоты F,, задающий генератор 2 с выходной частотой 6 F 2, распределитель 3 импульсов с трехфаэным выходом на частоте Р выполненный по кольцевой пересчетной схеме с тремя парафазными выходами и синхронизируемый генератором 2, трехфаэные модуляторы 4 — 6, подключенные силовыми входами к вторичным обмоткам трансформатора 1, а управляющими входами — к выходам распределителя 3, и выходные высокочастотные трехфазные суммирующие фильтры-трансформаторы

7 — 9 для практической реализации параллельного соединения синфазных выходов модуляторов, выполняющие фактически функцию выходных фильтров. Выходы фильтров-трансформаторов являются выходом устройства.

Дпя реализации преобразователя частоты с регулируемым выходным напряжением в него введены фазосдвигающие блоки 10 — 12 (фиг. 1) между выходами распределителя импульсов и управляющими входами модуляторов. Фаэосдвигающий блок (10-12) содержит пару фазосдвигающих устройств 13 и 14 {фиг. 4), реализующих фазовые сдвиги сигнала типа меандр P соответственно на регулиру.) емые углы (+ Ы,) и (- Ы,) . Полученные сигналы Р, +, )и Р;(Q) суммируют последовательно согласно друг с другом и

1встречно с сигналом Р; фаэосдвигающего блока, образуя таким образом требуемый выходной сигнал (в коде +1

-1) П; согласно выражению (. 1 (-М.1 (+cL) ) (-сД

При построении узла 10-14 на станpGpTEIblx логических элементах сигналы

Р;, Р, („ ), Р, (-, ), П; выражаются в коде "0" и "1". В этом случае логическое выражение для П, приобретает нормированный вид (в коде 0,1)

Рj(+0) Р (-<) "g Pj(-4) Р1())

Силовая часть рассматриваемого при- примера выполнения преобразователя включает в себя три группы трехфазных вторичных обмоток (фиг. 2) входного трансформатора I трехфаэные модуляторы 4, 5, 6, содержащие по два полностью управляемых переключателя переменного тока (!5-20) и вьмодные вы5 15223 сокочастотные трехфаэные суммирующие фильтры-трансформаторы 7, 8, 9 (фиг. 2), представляющие собой три комплекта трехфазных обмоток, соединенных в "звезду" и расположенных на стержнях трех замкнутых трехстержневых магнитопроводов, причем обмотки, расположенные на одном магнитопроводе, например 7, включены между одним из выходов преобразователя, а именно: выходной фазой А (i = 1) и отводами от средних точек вторичных обмоток входного трансформатора 1, принадлежащих к фазе с1(первой фазе) первой группы (j = 1), фазе Ь (второй) второй группы (j = 2) и фазе с (третьей) третьей группы (j = 3), а обмотки фильтра-трансформатора, например 8, включены между выходной фазой В (i 2p

2) и отводами от средних точек вторичных обмоток трансформатора 1, принадлежащих для рассматриваемого случая (F) z F ) к фазе С (третьей фазе) первой группы (j = 1), фазе о вто- 25 рой группы (j = 2) и фазе В ("2") третьей группы (j = 3).

Трехцепевой переключатель содержит трехфазный диодный мост на диодах

21-28 (фиг. 3) с транзистором 29 в диагонали постоянного тока, Если преобразователь выполняют беэ нулевой фазы на выходе, то в схеме трехцепевого переключателя диоды 27, 28 не ставят, а следовательно, нулевую фазу ие формируют (на фиг. 2 в этом случае проводник, соединяющий нулевые выводы переключателей, отсутствует).

Устройство работает следующим образом.

Входные синусоидальные напряжения преобразователя частоты Р1 (фиг. 5

2,),e, кривые 30, 31, 32), имеющие взаимный фазовый сдвиг 2 i /3, подают с выхода трехфазного трансформатора 1 на силовые входы модуляторов 4, 5, 6, на управляющие входы которых подают прямоугольные двухполярные импульсы частоты Г со взаимным фаэовым сдвигом также 2Т/3 (фиг. 59,5, } с парафазных выходов распределителя 3 импульсов, синхронизируемого задающим генератором 2. На выходах модуляторов

4, 5, 6 получают напряжения с частотой первой гармоники.

F =Г, +F

3 образуют также трехфазную систему (трехфаэные системы образуют и многие другие высокочастотные гармоники).

Напряжения одной фазы с выходов модуляторов 4, 5, 6 подают на соответствующие обмотки одного из трех трехфаэных фильтров-трансформаторов 7, 8 или 9 (через нагрузку преобразователя ), По первой гармонике синфазных напряжений каждый фильтр-трансформатор работает в режиме короткого замыкания (его обмотки оказываются вклю ченными фактически параллельно, что эквивалентно короткому замыканию трехфазного трансформатора) или первая гармоника беэ искажений попадает на выход преобразователя (правда вместе с другими синфазными гармониками}.

По отношению к основным гармоникам высокочастотных заполнений обмотки каждого фильтра-трансформатора включе" ны по обычной схеме звезда", а фильтры-трансформаторы, задерживая на себе все высокочастотные гармоники, образующие трехфазные системы (в общем случае m-фаэные), не пропускает их на выход преобразователя. На выходе преобразователя формируются фазные напряжения улучшенного гармонического состава (вид фазы А показан на фиг. 5ж и б к), идентичные по форме суммарным выходным напряжениям модуляторов 4, 5, 6 (по каждой фазе) и отличающиеся от последних лишь уменьшенной в 3 раза . амплитудой (при суммировании синфаэные гармони ки имеют утроенную амплитуду, а гармоники, образующие трехфаэиые системы, — нулевую) .

К обмоткам фильтров-трансформаторов 7, 8, 9 оказываются приложенными с фазами (по первой гармонике) А, В, 67 6

С трехфаэной системы. Вид всех трех налряжений фазы А, например, показан на фиг. 5 2, ) 8, кривые ЗЗ, 34, 35 (фиг. 6 g,о, $). Выходные напряжения модуляторов представляют собой фактически результат перемножения соответствующих фазных напряжений частоты Р (фиг. 5 g,7.,8, кривые 30, ЗI, 32) с соответствующими фаэными сигналами частоты F 2 (фиг. 5 g,F,g) согласно схеме фиг. 1.

Основные гармоники высокочастотных заполнений напряжений каждой фазы на выходе модуляторов с частотой

1522367 напряжения с частотой основной гармо. ники F (на фиг. 6 Z,q,e показаны на,пряжения на обмотках фильтра-трансформатора 7), с частотой высокой, по, этому масса и габариты фильтров-тран: сформаторов будут незначительными.

Порядок чередования фаз на выходе преобразователя, показанный на фиг. 1, имеет место только при условии: F., с (1 . При Р„ ) F порядок чередования фаз меняется на обратный.

Устройство с введенными фазосдвигающими блоками работает аналогичным . образом, отличие состоит лишь в том, что на управляющие входы модуляторов

4, 5, 6 подают сформированные блока ми 10, 11, 12 импульсы вида фиг. 7 а,8, g. Входные (силовые) и выходные напряжения модуляторов с фазой

А, например, для этого случая показаны на фиг, 7,),P. При этом на выходе преобразователя формируются напряжения вида фиг. 7йс (фаза А) регулируемой амплитуды (первой гармоники}. 25

Особенности работы силовой части рассматриваемого примера выполнения преобразователя заключаются в следующем.

Вторичные обмотки трансформатора 1 с синусоидальными напряжениями фаз А, В, С фиг, 5,,, кривые 30, 31, 32 подключены к трехцепевым переключателям переменного тока 15-20 сооТВрТсТ венно модуляторов 4, 5, 6 согласно схеме фиг. 2. На базы транзисторов переключателей 15, 17, 19 (относительно эмиттера) поступают управляющие сигналы вида фиг. 5 а,о, $ соответственно, а на базы транзисторов переключателей 16, 18, 20 — сигналы, обратные этим, соответственно. Отводы от средних точек вторичных обмоток

А, В, С, являющиеся фактически выходами модуляторов, с напряжениями (от45 носительно нулевой фазы} вида, анало гичного фиг. 5,g,B, кривые 33, 34, 35 (фнг. 6 5,8,5), на которых показаны напряжения только фазы А, подключены к соответствующим обмоткам фильтров-трансформаторов 7,8,9, соединенным

> в звезду (фиг.2), Фильтры-трансформато. ры задерживают на своих обмотках напря-, жения вида, аналогичного фиг. 6 2, g,Р, на которых показаны напряжения на обмотках только фильтра-трансформатора

7, и пропускают на выход преобразователя к фазам А, В, С квазисинусоидальные напряжения вида, аналогичного фиг. 6, 5ж, на которой показана форма напряжения фазы А улучшенного гармонического состава.

По блок †схе фиг. 1 можно строить и преобразовать с прямоугольной формой напряжения на входе модуляторов, например преобразователи постоянного напряжения в квазисинусоидальные.

В них напряжения прямоугольной формы, например, с паузой регулируемой длительности 2 К 2 (фиг. 8 а,Е,S) повышенной (несущей) частоты F,, образующие трехфазную систему, получают на выходах инверторов с выходными трансформаторами и подают на силовые входы каждого из модуляторов 4, 5, 6. На

Фиг. 8 Q,), e показанъl управляющие сигналы модуляторов частоты F . Тогда на выходах модуляторов 4, 5, 6 получают напряжения с широтно-импульсной модуляцией и частотой первой гармоники f с фазами А, В, С трехфазной системы. Вид всех трех напряжений фазы А, например, показан на фиг, 8Мс, ),0 фиг. 9 а,г, E. На выходе преобразователя после фильтров-трансформаторов 7, 8, 9 формируются напряжения с уменьшенным значением коэффициента гармоник (вид напряжения фаэы А показан на фиг. 9ж). Выходные линейные напряжения преобразователя будут иметь еще более высокое качество своей формы за счет отсутствия гармоник, кратHblx трем (в общем случае - кратных т).

К обмоткам фильтров-трансформаторов

7, 8, 9 будут приложены напряжения с частотой основной гармоники Г (иа фиг. 9 C,g,е, показаны напряжения на обмотках фильтра-трансформатора 7).

Ломанная линия трапецеидального вида на фиг. 9>t< образована низкочастотными гармониками, кратными f, и представляет собой фазное напряжение без учета субгармонических составляющих, легко устраняемых небольшим фильтром даже при нагрузке активноиндуктивного характера,, Введение m-фазных фильтров-трансформаторов на выходе преобразователя выгодно отличает предлагаемое устройство от указанного прототипа, так как наличие фильтров-трансформаторов позволяет снизить установг::енную мощность как m-цепевых переключателей (модуляторов), так и групп вторичных обмоток (трансформатора), причем как тех, так и этих в ш раз, чтс позволяет существенно уменьшить массу и габариты

9 1522 преобразователя. Кроме того, что суммарная установленная мощность всех фильтров-трансформаторов, которую в первом приближении можно определить как половина (вторичных обмоток нет, 5 есть только первичные) произведения действующих значений первой гармоники выходного тока и основной гармоники приложенного к нему напряжения (несмотря на разные их частоты, так как потери мощности в меди трансформатора определяются в основном током нагрузки, т.е. BbKopHbLI током, а потери в .cTBJIH — B ocHoBHoM величинои IIPHJIo 15 женного напряжения), увеличенная в

m раз, составляет величину в половину выходной мощности при активной нагрузке (амплитуды первой гармоники вь|ходного напряжения и основной гармоники 2п приложенного к фильтр-трансформатору напряжения равны, что иллюстрирует и фиг. 6,g,e,>k), т.е. в половину установленной мощности m-фазного трансформатора на входе предлагаемого пре- 25 образователя (при этом пстерями мощности в трактах преобразователя можно пренебречь в силу их несущественной величины), они работают фактически на высокой частоте F> (режим работы трансформатора определяется частотой приложенного напряжения), на практике превышающей FI не менее, чем в 2 раза. Следовательно, масса и габариты их невелики.

Снижение установленной мощности

m-цепевых переключателей происходит в m раз, так как во столько раз уменьшается величина коммутируемого ими тока, ибо в любой момент времени вме — „ сто одного переключателя тот же ток нагрузки пропускают переключателей, строго равномерно загруженные этим током (строго благодаря функции выравнивания, свойстванной фильтрамтрансформаторам).

Снижение установленной мощности вторичных обмоток трансформатора на входе преобразователя в m раз объясняется тем, что каждая вторичная обмотка (со средним отводом) у пpoтотипа функционирует, отдавая мощность в нагрузку, в течение только 1/m части всего времени, и чтобы передать необ55 ходимую среднюю (за период выходного напряжения} мощность вынуждена в течение времени функционирования отдавать увеличенную в ttl раз относительно

367 !С средней мощность, т.е. иметь завышенную в m раз установленную мощность.

Другими словами, в предложенном преобразователе вторичные обмотки трансформатора, работая непрерывно, обеспечивают среднюю мощность в нагрузке, имея в m раз меньшую установленную мощность, чем у прототипа, К достоинствам предложенного преобразователя следует отнести также возможность построения транзисторных преобразователей повышенной мощности без применения параллельного соединения полупроводниковых приборов, так как каждый ключевой элемент модулятороВ рассчитывается на заниженную в

m раз мощность, преобразователь имеет хорошие массогабаритные показатели даже при инфраниэких выходных частотах, поскольку его трансформаторы в силу принципа работы имеют рабочую частоту значительно выше выходной (FI, F1 + Г с величинами до нескольких десятков килогерц), причем их масса и габариты практически не зависят от значения выходной частоты, которая может изменяться от нулевых значений до заданных, применение фазосдвигающих блоков позволяет реализовать регулирование ширины импульсов выходного напряжения преобразователя путем изменения угла фазового сдвига о,и оС ччто позволяет осуществлять регулирование в широких пределах или стабилиэа" цию амплитуды первой гармоники выходного напряжения преобразователя.

Формула изобретения

m-Фазный преобразователь частоты с квазисинусоидальным выходным напряжением, содержащий m-фазный входа ной трансформатор с первичной m-фазной обмоткой и с m группами вторичных

m-фазных обмоток, 2m m-цепевых пере— ключателей переменного тока, силовые выводы каждого из которых подключены к крайним выводам соответствующей группы вторичных m-фазных обмоток, а управляюшие выводы этих переключателей связаны с соответствующим выходом распределителя импульсов, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения массы и габаритов, он снабжен ш числом т-фазных фильтров-транс-форматоров, каждый из которых выполнен в виде m-фазной обмотки, соединенной в звезду и расположенной на стержнях замкнутого m-стержневого маг1522367,нитбпровода, причем свободные крайние выводы т-фазной обмотки 1.-го фильтра,трансформатора подключены к введенному отводу от- средней точки вторичной обмотки входного трансформатора, принадлежащей к (()-))+ij-й фазе группы с номером j, где j 1,...,m- и

1,...,m"ôàçîâûå индексы соответственно входного и выходного напряжений 1g преобразователя, причем при значениях полученного из выражения ((j"1)+ индекса больше числа m из него следует вычесть число m при этом распределитель импульсов выполнен по кольцевой 15 пересчетной схеме с m парафазными выходами Р и Р„, связанными с управляю цими выводами П ц П„ m-цепевых .псреключателей переменного тока, под ключенных к крайним выводам одной и 2О той же группы m-фазных вторичных обмоток.

2. Преобразователь по и. 1, о т—

?5 (л и ч а ю шийся тем, что указан ная связь выходов распределителя импульсов Р и P с управляющими вывода— 1 J ми П и И m öåïåâûõ переключателей

1 J переменного тока осуществлена путем их непосредственного соединения.

3. Преобразователь по п. 1, о т личающий ся тем, что, сцелью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения регулирования значения выходного напряжения, указанная связь выходов распределителя импульсов P и Г с управляющими вывоJ ) дами П и 11 m- öåïåâûõ переключателей

1 ) переменного тока осуществлена посредством введенных m фазосрвигающих блоков, обеспечивающих реализацию следующего логического выражения (((t«(i(-«1 "i Г i(*l j(+«(J ) где Р 1 1 и Р (<1 — сдвинутые соответственно на угол опережения + о и на угол отставания - по отношению к

Р последовательности импульсов, определяемые в коде О и 1.

1522367

)522367

1522367

Рд(+ А(Рд(+а)+Рд{Рд(a)-PA

Рд(+а)-Рд

Рд(- а)- Pg+

4(а) Рд(БИО ()д=(ь(+а)+Рд(-4)+(К(-» Рд) (Рд(а) 4

2Рд(+а) i2Рд(-а)-2Рд-2(Рд(+а) Рд(-а)- Pg

1522367 7д À

Рв

Pg

Р

Р

Рд Ф

Р„(+ )

Р (+Ф1

В(®

% (+ 1 C(+

Рд(-of)

Рд(-а)

Р -а)

Рд(- ) с(Р,(-а0

P<(4 Ц-х

Рр. Ц(+Я

Пд À

Составитель В. Моин

Техред M.дидык Корректор B.Kàáàöèé

Редактор М. Келемеш

Заказ 6977354 Тираж 648 Подписное

BRHHIIH Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101