Трехфазно- -фазный непосредственный преобразователь частоты

 

Союз Советских

Социалистических

Реслублнк

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<щ 736296

) Ò6, @В Ъ -,,,.;-. 1 (51 М К 2 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 080 477 (21) 2 474784/2 4-0 1

Н 02 М .5/27

: присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР но делам изобретений н открыти й

Опубликовано 250580. Бюллетень № 19

Дата опубликования описания 250580 (53) УДК 821. 314.. 26 (088. 8) (72) Автор изобретения

Г. С. Мыцык (71) Заявитель

Московский ордена Ленина энергетический институт (5 4) ТРЕХФАЗНО-П)-ФАЗНЫЙ НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использ овано для пит ания частотноуправляемых электроприводов переменного тока в автономных энергоустановках с переменной скоростью вращения вала привода генератора для получения стабильной частоты, а также для питания различных электромагнитных устройств, работающих по принципу бегущего поля, например, для питания линейных двигателей или установок электромагнитного перемешивания жидких металлов.

Из ве стны непосредственные преоб- 15 разователи частоты с естественной коммутацией тиристоров-НПЧ с ЕК (1) .

Недостатки их заключаются в трудности получения выходного напряжения высокого качества, а также в 20 низ ком входном коэффициенте мощности.

Известны также непосредственные преобразователи частоты с искусственной коммут ацией тири сторов-НПЧ с

ИК, позволяющие устранить эти недостатки (2), (3), (4) и (5) . Наиболее эффективным алгоритмом управления такими преобразователями является так называемый алгоритм ци кличе ско го подключения через рав- 30 ные интервалы времени фаз сети нагрузки. Частота основной гармоники выходного напряжения при этом равна 7 = f„ - Ó„, =—

1 1 т, т,„т, где f — частота питающего напряже1 ния;

f — частота подключения к нагрузке одной и той же фазы питающей сети.

Особенностью преобразов ателей, реализующих такой алгоритм, является построение их на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью (иначе на ключах переменного тока).

При повышенных требованиях к качеству потребляемого преобразователем тока и выходиого напряжения известные решения становятся неприемпеьыьж. Наименьший коэффициент гармоник выходного напряжения, обеспечиваемый трансформаторно-тиристорныьи преобразователями и преобразователями, выполненными по мостовой схеме при эквивалентном числе фаз т = 6 (участвующих в формировании вйходного напряжения), равен О, 31..

При реальной активно-индуктивной

736296 нагруэ ке коэффициент гармоник входного тока также приближается к этой величине.

ПреобразОватели этЬго типа обеспечивают выходное напряжение по ос. новной гармонике меньше, чем напряжение питающей сети. Это в подавляющем числе случаев применения требует установки на входе преобразователя согласующего трансформатора., В тех случаях, когда применение согласующего трансформатора неизбежно, целесообразно использовать его не только для целей согласования, но и для других целей, например для органиэации иной структуры преобразователя, обеспечивающей более высокое качество потребляемого тока и выходного напряжения, указанная идея реализована в предлагаемом решении.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является преобразователь, содержащий трехфазный трансфор матср с первичным и основным вторичным комплексами обмоток и трехФазные мосты иа управляемых ключах с двусторонней проводимостью, причем входЫ этих мостов подключены к концам обмоток вторичного комплекта, а выходные выводы образованы выхо. д:=ми трехфазных мостов (53.

Недостатком известных преобразователей является невысокое для ряда случаен применения (например, для подвижных сбъектон1 качество выходного напряжения и входного тока, что требует применения фильтров, ухудшающих энергетические и массо-габа- . р.-тиые показатели а также создающих н указанном случае применения н некоторые дополнительные проблемы, например ухудшение переходных процессов, перераэмеривание генератора д;

Целью изобретения янляется улучшение качестна выходного и входного то ксв,Это достигается тем, что известный преобразователь, содержащий согласующий трехфазный трансформатор с .первичным и основным вторичным комплектами трехфазных обмоток и щ трехФазных мостов на управляемых ключах с двусторонней проводимостью, вхсдами подключенные g концам обмотки основнснс вторичного комплекта, а выходами образующие выходные выводы (преобразователя), снабжен дополнительным комплектом вторичных обмоток трансформатора и двумя дополнительными вентильными мостами с управляемыми ключами на их выходах, причем обмотки вторичного основного комплекта выполнены с отпайками, соединенными с одними из концов трехфаэнсй обмотки дополнительного вторичного комплекта по схеме зигзаг, а противоположные и разноименные относнтельно дРуг друга "концы трехфаэных обмоток вторичных основного и дополнительного комплектов подключены ко входным нынодам дополнительных вентильных мостов.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого преобразователя;на фиг. 2 — модификация преобразователя на фиг. 1;на фиг. 3— векторные диаграммы, поясняющие принцип формирования выходного напряжения; на фиг. 4 — временные диаграммы выходного напряжения к алгоритмов переключения ключей преобразователя; на фиг. 5 — схема системы управления, обеспечивающая регулирование выходных напряжений и частоты преобразователя; на Фиг. 6 — временные диаграммы, поясняющие paботу системы упранления;

Преобразователь содержит трехфазный согласующий трансформатор 1 с первичным комплектом 2 и с основным 3 и дополнительным 4 вторичными комплектамн трехфаэных обмоток, причем обмотки основного вторичного комплекта снабжены отпайками

5-7, а также трехфазные мосты 8-10 на управляемых ключах с двусторонней проводимостью (например, мост

8 на ключах 11-16) и два вентильных моста 17 и 18 с управляемыми ключевыми элементами 19 и 20 на их выходах. Выходные выводы 21-26 преобразователя образованы выходами мостов 8 - 10, а число этих мостов равно числу выходных фаз преобразователя (н данном случае щ=З).

В некоторых случаях может оказаться более целесообразной модификация преобразователя, показанная на фиг.2. Отличие этого решения состоит лишь в том, что дополнительный комплект трехфазных обмоток выполнен на первичной (а не на вторичной стороне) и обмотки первичного комплекта (а. не нтсричного) выполнены с отнайками. В этом случае, при некоторых соотношениях напряжений питающей сети и нагрузки нентильные мос1."л 17 и 18 с учетом ныпускаемога промышленного ассортимента нентилей будут иметь лучыие массо-габаритные показатели.

Принцип формирования выходного напряжения ;треобразователя поясняется фиг, 3 и 4.

Сущность формирования выходного напряжения состоит н том, что на входы мостов 8-10 преобразователя попеременно подают две трехфаэные систеьн напряжений, (см. Фиг. За, фиг, 3„. н), сдвинутые между собой на угол % /6. Переключая соответствующим образом ключи мостов 8-10, на выходе каждого из мостов можно получить любое из напряжений шестифаэ( ной системы напряжений (см, фиг. 3 o) от одной трехфаэной системы напря736296

60

65 жений (см.фиг.3,а) и любое из напряжений другой шестифазной системы (см. фиг. 3, г) от другой системы напряжений (см.фиг.З,в). Попеременное подключение через равные интервалы времени то одной, то .другой трехфаэной система напряжений ко входам мостов 8-10 позволяет на выход каждого из мостов подать любое из напряжений двенадцатифазной системМ напряжений (см. фиг. Зд), т.е. получить таким образом эквивалентную фазность питающей сети mr» равную 12. При этом замыкание ключа 19 обеспечивают подачу на входы мостов 8-10 системя напряжений, показанной на фиг. З,а, а замыкание ключа 20 (и. соответственно размыкание ключа 19) подачу на те же входы системы напряжений (см. фиг. 3, в) .

Для конкретизации рассмотрим несколько моментов переключения.

Обозначение векторов напряжений на фиг. 3, д соответствует обозначениям

1 1 I 1 pl I обмоток тран сформатора на фи г. 1.

На фиг. 3, д, а также на фиг. 4, а напряжения двенадцатифазной системы напряжений обозначены цифрами в кавычках (для упрощения обозначений на фиг. 4, а) . Алгоритмы переключения ключей 19 и 20 — Ч,, Ч а так» же алгоритмы переключения ключей

11-16 одного моста 8 — Ч -Ч, показаны на фиг. 4, б.

В интервале t- -t> согласно диаграмм на фиг, 4 включены ключи 19, 11 и 14, К выходным выводам 21 и 22 преобразователя подводится напряжение фазы 1 (т.е. асва ). В момент t замыкают ключи 20, 12 и 15 и размыкают ключи 19, 11 и 14. К выходным выводам 21, 22 подводится при этом напряжение фазы 2 (т.е. ca ). Используя временные диаграммы на фиг. 4, легко проследить процесс формирования выходного напряжения на всем отрезке Т2/2.

Незаштрихованная часть алгоритмов переключения ключей на фиг. 4, б сост ветствует направлению тока (при чисто активной нагрузке), показанному сплошной стрелкой. Часть алгоритмов, отмеченная штриховкой, соответствует противоположному направлению тока через ключи (показанному пунктиром). Применительно к тиристорному исполнению ключей, например в виде встречно параллельно включенных тиристоров, это означает, что в моменты, не отмеченные штриховкой, работают одни тиристоры, а в моменты, отмеченные штриховкой, — другие тиристоры того же ключа. При этом для определения тиристора, который необходимо включить, используют информацию о направлении тока в нагрузке.

Напряжения осталь11ых фаз формируются ана31О1H÷íî. !и ио 1и1ходннх

10 !

45 фаз m в таком преобразователе может быть реализовано любым. Наиболее.просто реализовать случаи с m =

2, 3, 4 6.

Качество выходного напряжения и входного тока в предлагаемом преобразователе, измеряемое коэффициентом гармоник, вдвое лучше, чем в известных подобных решениях (0,152 против 0,31), В качестве управляемых ключей с двусторонней проводимостью могут быть использованы сочетания полупроводниковых элементов, описанные, например в (5) .

Число витков обмоток дополнительного вторичного (или первичного на фиг.2) комплектов 4 в V5 раз меньше числа витков обмоток основного вторичного (или первичного на фиг.2) комплекта 3 и равно части числа витков обмоток основного вторичного комплекта от начала этих Ьбмоток до отпаек. Преобраэовательимеет все преимущества, присущие ,непосредственным преобразователям частоты с циклическим алгоритмом управления. В рассмотренных вариантах преобразователей обмотки основного и дополнительного комплектов организованы наиболее рациональным с точки зрения массо-габаритных показателей трансформатора способом.

В принципе можно использовать два дополнительных комплекта обмоТоК (а не один) и один основной комплект обмоток беэ отпаек. Однако это приводит к увеличенным массам меди обмоток и соответственно стали магнитопровода трансформатора. Использование более эффективной автотрансформаторной (а не трансформаторной) связи, т.е. совмещение обмоток одного дополнительного комплекта с обмотками основного комплекта, позволяет устранить этот недостаток.

Кроме того, такая организация обмоток позволяет также уменьшить величи ну перенапряжений — всплесков, которые могут возникать при переключениях ключей (19 и 20) из-за индуктивностей рассеяния обмоток.

Обратные напряжения, прикладываеьые к диодам мостов (17 и 18) к ключам 19 и 20 и к ключам мостов 8-10 равны соответственно

Ъ 20

U = 2,45 U1, где U+ — действующее значение на% пряжения обмотки фазы оси о вн ого компле кт а.

В варианте выполи ения тр ан сформатора с двумя дополнительными комплектами обмоток, т.е, гри использовании трансформатбрной, а не автотрансформаторной связи между обмотками соответствующих комплектов, изм»нив на 180 полярность соединения

736296 обмоток ос;овного и дополнительных комплектов, можно вдвое уменьшить число переключений ключей мостов

8-10. Однако при этом значительно повышается обратное напряжение на элементах 17-20

5 (>17-2о 4 69 0, .

Это означает увеличение в 3,69 раза установленной мощности элементов

17-20 в сравнении с вариантом органнзации обмоток (см. фиг. 1 и 2) . При выборе варианта в конкретном случае применения это обстоятельство необходимо учитывать.

Воэможность регулирования величины выходного напряжения поясняется

Временными диаграммами на фиг. б и ) ( схемой системы управления на фиг.5.

Алгоритма переключения ключей 11-16 одной фазы (Ч,, — Ч ) и ключей 19 и 20 (4 20 ) показаны на фиг. б,б.

Регулирование обеспечивается вве- 3() дением изменяемой паузы t между переключениями ключей 19 и 20. Для пропуска реактивного тока в эти моменты затикают ключи одной стойки моста, например ключи 11 и 12, как показано на фиг. б,б.

Формирование необходимых последовательностей импульсов для управлеНия ключами 11-16 и 19 и 20 обеспечивается системой управления, пс казанной на фиг. 5. Она содержит задающий генератор 27, модулятор ширины импульсов 28, двенадцатитактный распределитель импульсов 29, входом соединенный с выходом ЗГ (25) генератора 27 через первый делитель частоты 30, выполненный в виде триггера со счетным входом, а также логический узел 31, выходами соединенный с управляющими входами соответствующих ключей через узел развязки и усиле- 40 ния 32, и второй делитель частоты 33, тоже выполненный в виде триггера со счетным входом 28 может быть выполнен, .например, в виде генератора пилообразного напряжения 34 и компаратора 35. Логический узел 31 со-держит логический элемент НЕ 36, восемь двухвходовых логических элементов И (37-44) и шесть четырех-. входовых лргических элементов ИЛИ

50 (45-50) . Все взаимосвязи между логическиьж элементами и узлами системы управления показаны на фиг.б.

Основные сигналы, поступающие на входы логического узла 31, показаны на фиг. 6,в. При этом выходные напряжения узлов обозначены буквой И с цифровым индексом соответствующим номеру этого уз .а, Нумерация выходов генератора 29 6О принята сверху вниз. Алгоритмы переключения ключей, показанные на фиг.5, б, и сигналы на соответствующих выходах логического узла 31 имеют один и, т от же вид.

В случае н споль во вани я опи сываемого решения для построения автономной системы электроснабжения в виде генератора с переменной скоростью вращения вала и преобразователя частоты необходимость B трансформаторе отпадает, а якорные обмотки генератора выполняются таким ж: образом, как и вторичные обмотки трансформатора.

Регулирование величины выходного напряжения в этом случае может быть обеспечено соответствующим регулированием возбуждения генератора.

Наиболее эффективно преимущества преобразователя могут быть реализованы при пониженных входных и выходных частотах (порядка единиц и десятков Гц), например, при преобразовании промышленной частоты 50 Гц в более низкую или в более высокую.

Формула изобретения

Трехфазно-m-фазный непосредственный преобразователь частоты,содержащий согласующий трехфазный трансформатор с первичным и основным вторичным комплектами трехфазных обмоток и m трехфазных мостов на управляемых ключах с двусторонней проводимостью, причем входы этих мостов подключены к одним из концов обмоток основного вторичного комплекта, а выходные выводы образованы выходными выводами мостов, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью улуч— шения качества входного и выходного токов, он снабжен двумя дополнительными вентильными мостами с управляемыми ключами на их выходах и дополнительным комплектом вторичных обмоток трансформатора, причем обмотки основного вторичного комплекта выполнены с отпайками, соединенными с одним из концов трехфазной обмотки дополнительного вторичного комплекта по схеме зигзаг, а противоположные и разноименные относительно друг друга конца трехфаэных обмоток вторичных основного и дополнительного комплектов подключены ко входным выводам дополнительных вентильных мостов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Данюшевская Е.Ю. Преобразователи на тиристорах в системах регулируемого электропривода постоян— ного и переменного тока, — Сб. Автоматизированный электропривод производственных механизмов, том, 3, h1 — Л, Энергия„ 1966, с, 271 †2.

2, Патент Швейцарии 9 47 †64, кл. Н 02 р 7/62, Н 02 р 1 3/ 30, 19! "..

736296

3. Патент Японии 9 48-31408, кл. 56 В 3, 1973.

4. Электричество М 1, 19 77, с. 6 2-6 7.

5. Сб. Современные задачи преобразовательной техники, вып.2, Киев, Институт электродинамики AH УССР, 19 75, с. 1 32-1 40 (прототип) . 736 2 9б

4 р

kis ир„

Фиг 6

Составитель E. Дорошин

Редактор В. Фельдман Техред H.Бабурка Корректор E. Папп

Заказ 2440/44 Ру

Мур

"и

Ма

97З Pu r

Opuz

Opus

Opus

Тираж 783 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий

11 3035, Москва,. Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

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