Двухзвенный преобразователь частоты на запираемых вентилях

Авторы патента:

H02M5/297 - для преобразования частоты

Владельцы патента RU 2461115:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах частотно-токового электропривода в качестве управляемого источника тока, обладающего свойством задавать фазу тока статорных обмоток двигателя изменением угла управления вентилями. В отличие от традиционного исполнения инвертора тока предлагаемая схема выполняется на транзисторных ключах с односторонней проводимостью с подключенным параллельно статорным обмоткам двигателя демпфирующим устройством. Основу устройства составляет полярный конденсатор, участвующий с помощью дополнительных транзисторов в двухэтапном проведении коммутаций фазных токов. В результате достигается эффект плавного изменения токов при ограниченном уровне коммутационных перенапряжений. По сравнению с известными вариантами схема позволяет получить технический результат - уменьшить массогабаритные показатели и устранить накапливание заряда на обкладках демпфирующего конденсатора без рассеивания избыточной энергии коммутации в разрядном резисторе. 3 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике, получающей применение в частотно-регулируемом электроприводе.

Происходящее обновление элементной базы расширяет области применения автономных инверторов напряжения (АИН) на транзисторных IGBT и MOSFET-модулях. В системах частотно-токового электропривода с асинхронными двигателями (АД) эта тенденция ставит задачей разработку двухзвенного преобразователя частоты (ПЧ), в котором функции источника тока вместо традиционного варианта АИТ на однооперационных тиристорах выполняет АИН. Ближайший аналог двухзвенного преобразователя частоты выполнен в виде последовательного соединения первого звена - управляемого выпрямителя, получающего питание от 3-фазной сети, и второго звена в виде автономного инвертора, выполненного по 3-фазной мостовой схеме на транзисторных ключах с односторонней проводимостью тока, входами присоединенного к выходным полюсам управляемого выпрямителя, а выходами - к нагрузке в виде включенных по схеме звезды с нулевым выводом статорным обмоткам 3-фазного двигателя переменного тока при наличии демпфирующего устройства, имеющего в своем составе 3-фазный мостовой выпрямитель на диодах, входами присоединенный к статорным обмоткам двигателя и подключенным на выходе полярным конденсатором фильтра, который в предлагаемом решении называется демпфирующим конденсатором.

Существующее решение задачи превращения АИН в источник тока (см. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. - М.: Изд. «Академия», 2006 г., стр.101, рис.4.11) основывается на применении отрицательных обратных связей по выходным токам инвертора, однако это ведет к усложнению системы и уменьшению запаса устойчивости. Предпочтительнее может оказаться перевод АИН в режим параметрического источника тока, повторяющего известное свойство АИТ задавать фазу выходных токов изменением угла управления вентилей. Практическое решение данной задачи сводится к необходимости плавного проведения коммутаций фазных токов при ограниченном уровне перенапряжений в заданные управляющими импульсами промежутки времени.

Предлагаемое решение предусматривает применение в этих целях специального демпфирующего устройства, в состав которого введены семь сравнительно малой мощности коммутирующих транзисторных ключа, из которых три ключа собраны по трехфазной нулевой схеме выпрямления, фазными выводами подключенной к статорным обмоткам двигателя, а остальные четыре коммутирующих ключа образуют однофазный реверсивный мост, одной диагональю включенный между полюсами указанного 3-фазного мостового выпрямителя на диодах, а другой диагональю - между нулевым выводом упомянутых трех коммутирующих ключей и нулевым выводом статорных обмоток двигателя, причем каждый из двух коммутирующих ключей, присоединенных к нулевому выводу обмоток, шунтирован обратным диодом.

Получаемый от применения данного решения технический эффект состоит: в упрощении системы частотно-токового управления электроприводом выполнением инвертора тока на запираемых вентилях. Это выражается в замене традиционных элементов коммутации тиристоров в схеме АИТ в виде нескольких неполярных конденсаторов и отсекающих диодов общим для всех вентилей демпфирующим устройством на основе полярного конденсатора с меньшими массогабаритными и стоимостными показателями; в возможности плавного проведения коммутаций фазных токов инвертора при ограниченном и контролируемом уровне перенапряжений; в устранении накапливания заряда на обкладках полярного конденсатора фильтра без необходимости рассеивания избыточной энергии коммутации в разрядном резисторе.

На фиг.1 изображена предлагаемая схема двухзвенного преобразователя частоты, принцип действия которого поясняют схемы замещения на фиг.2 а,б. Полученные компьютерным моделированием диаграммы фиг.3 а,б иллюстрируют работу известного и предлагаемого вариантов инвертора.

Предлагаемый двухзвенный преобразователь частоты фиг.1 содержит последовательно соединенные первое звено в виде управляемого выпрямителя 1, получающего питание от 3-фазной сети е_A, е_B, е_C, и второго звена в виде автономного инвертора 2, выполненного по 3-фазной мостовой схеме на транзисторных ключах (ν1, ν2,…ν6) с односторонней проводимостью тока, входами присоединенного к выходным полюсам управляемого выпрямителя, а выходами - к нагрузке в виде включенных по схеме звезды с нулевым выводом статорным обмоткам 3-фазного асинхронного двигателя 3. В параллель к статорным обмоткам подключено также демпфирующее устройство 4, имеющее в своем составе 3-фазный мостовой выпрямитель на диодах с подключенным на выходе демпфирующим конденсатором Сф. В составе демпфирующего устройства имеются семь сравнительно малой мощности коммутирующих транзисторных ключа (ν7, ν8,…ν13), из которых три ключа (ν7, ν8, ν9) собраны по трехфазной нулевой схеме выпрямления, фазными выводами подключенной к статорным обмоткам двигателя, а остальные четыре коммутирующих ключа (ν10, ν11,…ν13) образуют однофазный реверсивный мост, одной диагональю включенный между полюсами указанного 3-фазного мостового выпрямителя на диодах, а другой диагональю - между нулевым выводом коммутирующих ключей (ν7, ν8, ν9) и нулевым выводом статорных обмоток двигателя, причем каждый из двух коммутирующих ключей (ν11, ν12), присоединенных к нулевому выводу обмоток, шунтирован обратным диодом.

Из схемы на фиг.1 следует, что решение поставленной задачи потребовало перемещения традиционных для АИН 2 элементов в виде обратных диодов и полярного конденсатора Сф из звена постоянного тока в параллельно подключенное к статорным обмоткам транзисторно-конденсаторное демпфирующее устройство 4. Указанное изменение конфигурации двухзвенного ПЧ не приводит к прерыванию реактивных токов в обмотках двигателя, а потому с точки зрения защиты от коммутационных перенапряжений является адекватной мерой. Введение в схему дополнительных коммутирующих ключей (ν7,…ν13) оправдывается сравнительно малой мощностью этих элементов, а также необходимостью решения целого ряда задач, связанных с проведением принудительной коммутации переменных токов при контролируемом уровне перенапряжений.

Полученные компьютерным моделированием осцилограммы фиг.3,а иллюстрируют работу инвертора (ν1, ν2,…ν6) на активно-индуктивную нагрузку при длительности проводящего состояния каждого ключа λ=2π/3. Видно, что благодаря превышению напряжения конденсатора диоды выпрямительного моста в блоке 4 на межкоммутационных интервалах оказываются запертыми, в связи с чем уровень напряжения конденсатора U_сф в установившемся режиме остается постоянным. Устранение известного эффекта накапливания заряда на обкладках полярного конденсатора в схеме с диодами достигается чередованием частичного разряда и заряда на каждом интервале коммутации. Проведение каждой коммутации с помощью 4 осуществляется в два этапа. Замыкание ключей (ν9, ν10, ν11) на первом этапе приводит к согласному подключению конденсатора Сф в параллель к выходящей из работы фазе нагрузки (см. фиг.2,а). Переход тока этой фазы (i_a) в цепь конденсатора сопровождается частичным разрядом последнего и уменьшением тока выходящего из работы силового ключа ν1. Последующее выключение ν1 при уменьшенной (примерно вдвое) величине тока способствует уменьшению коммутационных потерь мощности и повышению перегрузочной способности привода. Как видно из схемы фиг.3,б, коммутация завершается повторным зарядом конденсатора под воздействием снижающегося до нуля тока тока фазы a(i_a→0). Так же, как это происходит в схеме АИТ, встречное напряжение конденсатора на втором этапе способствует вытеснению тока I_d в цепь вступающей в работу фазы б с очередным ключом ν3(i_b→I_d). Можно видеть, что результатом служит плавный переход тока из одной фазы в другую без необходимости рассеивания избыточной энергии коммутации в разрядном сопротивлении. В соответствии с представленным на фиг.3,а алгоритмом подачи управляющих импульсов коммутации тока в других фазах происходят аналогично.

Для сравнения на фиг.3,б представлены диаграммы фазных напряжений и токов, полученных в обычной схеме инвертора напряжения, принятой за прототип. Видно, что в отличие от предложенного варианта фиг.3,а применение АИН в системах электропривода с принудительной фазовой ориентацией тока не удовлетворяет требованиям частотно-токовых систем, так как не устраняет фазового угла нагрузки.

Двухзвенный преобразователь частоты на запираемых вентилях, состоящий из последовательного соединения первого звена в виде управляемого выпрямителя, получающего питание от 3-фазной сети, и второго звена в виде автономного инвертора, выполненного по 3-фазной мостовой схеме на транзисторных ключах с односторонней проводимостью тока, входами присоединенного к выходным полюсам управляемого выпрямителя, а выходами - к нагрузке в виде включенных по схеме звезды с нулевым выводом статорных обмоток 3-фазного двигателя переменного тока при наличии демпфирующего устройства, имеющего в своем составе 3-фазный мостовой выпрямитель на диодах, входами присоединенный к статорным обмоткам двигателя и подключенным на выходе полярным конденсатором, отличающийся тем, что в состав демпфирующего устройства введены семь сравнительно малой мощности коммутирующих транзисторных ключа, из которых три ключа собраны по трехфазной нулевой схеме выпрямления, фазными выводами подключенной к статорным обмоткам двигателя, а остальные четыре коммутирующих ключа образуют однофазный реверсивный мост, одной диагональю включенный между полюсами указанного 3-фазного мостового выпрямителя на диодах, а другой диагональю - между нулевым выводом упомянутых трех коммутирующих ключей и нулевым выводом статорных обмоток двигателя, причем каждый из двух коммутирующих ключей, присоединенных к нулевому выводу обмоток, шунтирован обратным диодом.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано во вращающихся электрических машинах. .

Трехфазный преобразователь частоты // 2444835

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, например, в инверторах частоты для управления трехфазными двигателями. .

Способ управления двухзвенным преобразователем частоты // 2444834

Изобретение относится к преобразовательной технике, получающей применение в частотно-регулируемом электроприводе. .

Преобразователь частоты 50/400 гц // 2433518

Изобретение относится к преобразователям частоты, в частности к умножителям трансформаторного типа, и может быть использовано в качестве источника питания потребителей тока 400 Гц.

Способ формирования и регулирования высокого напряжения матричного непосредственного преобразователя частоты каскадного типа с высокочастотной синусоидальной шим // 2428783

Способ скалярного управления (3×3)-фазным матричным преобразователем частоты // 2414800

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в частотнорегулируемом электроприводе. .

Частотный электропривод // 2407141

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в частотно-регулируемом электроприводе. .

Способ управления статическими стабилизированными источниками переменного напряжения, работающими параллельно на общую нагрузку // 2380820

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах генерирования электрической энергии или системах гарантированного электропитания, в которых статические стабилизированные источники электрической энергии включаются параллельно на общую нагрузку.

Высоковольтный прямой силовой преобразователь переменного тока // 2379817

Изобретение относится к области электротехники. .

Статический преобразователь частоты // 2358378

Преобразователь частоты и стабилизатор напряжения источника бесперебойного питания // 2498487

Изобретение относится к области электротехники, к управлению преобразователем, связанным, по меньшей мере, с одним из источников бесперебойного питания. Техническим результатом является устранение искажений из сигнала управления, улучшение работы преобразователя, снижение гармонических искажений и субгармонических колебаний из сигнала управления. В преобразователе частоты и стабилизации напряжения источника бесперебойного питания (ИБП) контролируют и управляют входным сигналом в преобразователе в одном или более из ИБП. Искажение, обусловленное, по меньшей мере, частично напряжением пульсации, может быть удалено из сигнала управления, который управляет входным током в преобразователь. Системы и способы, описанные в материалах настоящей заявки, обеспечивают простой эффективный способ для снижения или устранения одного или более из субгармонического колебания и суммарного гармонического искажения из входного тока преобразователя во время синхронного и асинхронного режимов работы. Преобразователь может включать в себя один или более из выпрямителя и инвертора. 4 н. и 29 з.п. ф-лы, 9 ил.

Прямой преобразователь и система с таким прямым преобразователем // 2531358

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для преобразования переменного напряжения или тока в переменное напряжение или ток без промежуточного пеобразования в постоянное напряжение или ток. Техническим результатом является обеспечение произвольного и непрерывного регулирования прохождения тока от входного фазного вывода к выходным фазным выводам прямого преобразователя. Прямой преобразователь (1) снабжен n входными фазными выводами (U1, V1, W1) и p выходными фазными выводами (U2, V2, W2), где n≥2 и p≥2, n·p двухполюсными коммутационными элементами (2) для переключения, по меньшей мере, одного положительного и, по меньшей мере, одного отрицательного напряжения между полюсами. Каждый выходной фазный вывод (U2, V2, W2) последовательно соединен с каждым входным фазным выводом (U1, V1, W1) через один коммутационный элемент (2). Для обеспечения произвольного и непрерывного регулирования прохождения тока от входного фазного вывода к выходному фазному выводу прямого преобразователя и для обмена электрической энергией между двухполюсными коммутационными элементами в каждое последовательное соединение включена по меньшей мере одна индуктивность (3). 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 16 ил.

Устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты // 2537846

Изобретение относится к области электротехники и представляет собой устройство защиты матричного каскадного преобразователя частоты (МКПЧ) непосредственного типа с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), каждый каскад которого построен по мостовой 3-фазной схеме, в каждом плече которого используются полностью управляемые ключи IGBT-модулей с двухсторонней проводимостью. Предложенное устройство по сравнению с прототипом характеризуется более гибким процессом реализации защиты, обеспечивая при этом технический результат - существенное повышение работоспособности МКПЧ при возникновении аварийной ситуации. Устройство защиты при возникновении аварийной ситуации в одном из каскадов обеспечивает постоянное включение его плеч на управляемых ключах IGBT-модулей, тем самым шунтируя его, а также отключение аварийного каскада от источника питания. Причем остальные каскады продолжают функционировать в прежнем режиме, сохраняя работоспособность МКПЧ в целом. Предложенное устройство защиты разработано и изготовлено в виде отдельной конструкции с двумя блоками защиты для установки в опытном образце матричного каскадного преобразователя частоты, предназначенного для питания гребного электродвигателя переменного тока высокого напряжения. 3 ил.

Способ работы преобразовательной схемы и устройство для его осуществления // 2537958

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразователях входного тока или входного напряжения. Технический результат - уменьшение нежелательных циркулирующих токов. В способе работы преобразовательная схема содержит n входных фазовых выводов (U1, V1, W1) и р выходных фазовых выводов (U2, V2, W2), где n≥2 и р≥2, (n-р) двухполюсных коммутационных ячеек (2) для коммутации, по меньшей мере, одного положительного и, по меньшей мере, одного отрицательного напряжений между полюсами. Каждый выходной фазовый вывод (U2, V2, W2) последовательно соединен с каждым входным фазовым выводом (U1, V1, W1) соответственно через коммутационную ячейку (2). Каждая коммутационная ячейка (2) содержит управляемые двунаправленные силовые полупроводниковые ключи с управляемым односторонним направлением прохождения тока и емкостной накопитель энергии; силовые полупроводниковые ключи коммутационных ячеек (2) управляются с помощью управляющего сигнала (S1). К каждому последовательному соединению подключена, по меньшей мере, одна индуктивность (6). Коммутационная ячейка (2) образует вместе с индуктивностью (6) фазовый модуль (1). Для каждого фазового модуля (1) формируется управляющий сигнал (S1) на основе опорного сигнала (Vref.U1) в отношении напряжения (U1) через фазовый модуль (1) и сигнала (VL) напряжения на индуктивности (6). Сигнал (VL) напряжения на индуктивности (6) формируется на основе промежуточного задаваемого значения (ΔiU1) тока (iU1) через фазовый модуль (1). 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Масштабируемый по мощности и частоте инвертор // 2576249

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в инверторе для предоставления масштабируемого по частоте выходного сигнала инвертора, в особенности с высокой выходной мощностью. Технический результат - создание инвертора с низкими затратами для высоких напряжений или высоких мощностей. Инвертор содержит схему управления (12) для управления частотой выходного сигнала инвертора согласно задаваемому значению. Схема управления (12) в соответствии с изобретением выполнена таким образом, чтобы для генерации сигнала со значением частоты, заданным для выходного сигнала инвертора, вызывать смещение по времени сигналов и наложение сигналов для получения сигнала со значением частоты, заданным для выходного сигнала инвертора. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Улучшенный понижающий преобразователь частоты // 2581594

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах электропривода с пониженной частотой вращения, а также в установках депарафинизации нефтяных скважин. Техническим результатом является увеличение надежности за счет отсутствия разрыва тока в силовой цепи, повышение качества выходного напряжения и повышение электромагнитной совместимости устройства с питающей сетью. В преобразователе частоты используется способ управления многофазным реверсивным мостом, подключенным к вторичной круговой обмотке трансформатора с вращающимся магнитным полем, где система импульсно-фазового управления обеспечивает нарастающую задержку сигналов управления ключами, коммутирующими отводы круговой обмотки, относительно фазы питающей сети. Коммутация производится между парами отводов, в момент равенства их ЭДС, что в результате обеспечивает понижение частоты основной гармоники выходного напряжения и отсутствие разрыва кривой тока при коммутации отводов круговой обмотки. 3 ил.

Матричный инвертор и способ формирования переменного напряжения во второй сети переменного напряжения из переменного напряжения в первой сети переменного напряжения посредством матричного инвертора // 2586323

Изобретение относится к матричному инвертору (MU), который соединен с первой и второй многофазной сетью (N1, N2) переменного напряжения. С первой сетью (N1) переменного напряжения соединены соответственно первые индуктивные схемные элементы (Su1, Sv1, Sw1), и со второй сетью (N2) переменного напряжения соответственно соединены вторые индуктивные схемные элементы (Su2, Sv2, Sw2). Переключательная матрица (MA) соединяет противоположные первой сети (N1) переменного напряжения концы (Eu1, Ev1, Ew1) первых индуктивных элементов (Su1, Sv1, Sw1) с противоположными второй сети (N2) переменного напряжения концами (Eu2, Ev2, Ew2) вторых индуктивных схемных элементов (Su2, Sv2, Sw2), причем переключательная матрица (MA) состоит из управляемых инверторных блоков (Uu1, Uv1, Uw1; Uu2, Uv2, Uw2). С управляющими входами управляемых инверторных блоков (Uu1, Uv1, Uw1; Uu2, Uv2, Uw2) соединено устройство (R) регулирования, причем устройство (R) регулирования нагружается измеренными величинами тока и напряжения первой и второй сети (N1, N2) переменного напряжения. Чтобы иметь возможность изготавливать такой матричный инвертор (MU) экономичным образом, в матричном инверторе (MU) между концами (Eu1, Ev1, Ew1) первых индуктивных схемных элементов (Su1, Sv1, Sw1), противоположными первой сети (N1) переменного напряжения, и потенциалом (M) земли размещен первый инверторный блок (Uu1, Uv1, Uw1), выполненный как управляемый источник переменного напряжения, и между концами (Eu1, Ev1, Ew1) первых индуктивных схемных элементов (Su1, Sv1, Sw1), противоположными первой сети (N1) переменного напряжения, и концами (Eu2, Ev2, Ew2) вторых индуктивных схемных элементов (Su2, Sv2, Sw2), противоположными второй сети (N2) переменного напряжения, включен второй инверторный блок (Uu2, Uv2, Uw2), выполненный как управляемый источник переменного напряжения; инверторные блоки (Uu1, Uv1, Uw1; Uu2, Uv2, Uw2) посредством устройства (R) регулирования управляются таким образом, что электрическая мощность, подаваемая на матричный инвертор (MU), равна электрической мощности, отводимой из матричного инвертора (MU). Изобретение также относится к способу формирования переменного напряжения посредством матричного инвертора (MU). Технический результат - обеспечение возможности соединения двух сетей с разными параметрами. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

Непосредственный преобразователь частоты с источниками входного напряжения, модулированными по амплитуде по синусоидальному закону // 2602514

Изобретение относится к электротехнике и силовой электронике и может быть использовано при построении систем генерирования трехфазного переменного напряжения частотой 50 Гц высокого качества в автономных установках. На вход НПЧ должны подаваться три трехфазные системы напряжений специального вида на основе биений напряжений от двух генераторов с различными частотами или амплитудно-модулированные по синусоидальному закону. Технический результат - получение на выходе НПЧ трехфазного напряжения с формой, максимально близкой к синусоидальной, а также обеспечение работы системы на несимметричную нагрузку с широким диапазоном значений коэффициента мощности (как индуктивного, так и емкостного характера). Для этого предлагается каждую группу силовых элементов выполнить в виде одного комплекта из шести двунаправленных ключей на IGBT-транзисторах, включенных попарно, встречно в каждую из шести ветвей, на входе каждой группы введен фильтр, три датчика входного напряжения, на выходе датчик тока и датчик выходного напряжения, система управления имеет пять входов и двенадцать выходов, причем выходы датчиков напряжения и тока подключены к входам системы управления, а выходы системы управления подключены к соответствующим электродам управления двунаправленных ключей. 5 ил.

Способ управления матричным преобразователем частоты // 2641653

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления матричным преобразователем частоты (МПЧ), работающим в составе частотно-регулируемого электропривода. Технический результат - увеличение коэффициента передачи напряжения матричного преобразователя частоты до 0,95. Этот технический результат достигается следующим. Способ управления матричным преобразователем частоты, выполненным в виде матрицы с установленными в узлах девятью двунаправленными полупроводниковыми ключами, обладающими двухсторонней проводимостью тока, состоит в том, что с помощью широтно-импульсного модулятора формируют импульсы управления двунаправленными ключами, модулированные по ширине путем сравнения периодически изменяющегося опорного сигнала тактовой частоты и девяти модулирующих гармонических сигналов, изменяющихся во времени с угловой частотой, равной желаемой угловой частоте выходного напряжения, и рассчитанных таким образом, чтобы при любой заданной выходной частоте матричного преобразователя частоты в нагрузке отсутствовала постоянная составляющая напряжения и субгармоники, кратные частоте напряжения питающей сети, при этом реализуют возможность организации режима линейной модуляции и перемодуляции выходного напряжения преобразователя. 5 ил.