Преобразователь частоты с непосредственной связью

 

Союз Советских

Cdöèàëèñ тнческмк

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (t >) l 001374 (6I) Дополнительное к авт. спид-ву № 470046 (22) Заявлено 1 3.05.81 (21 } 3289006/24-07 (53)M. Кд.

Н 02 М 5/27 с присоединением заявки ¹

Гооударствснный комитет (23) Приоритет. по делан изобретений и открытий

Опублкковано 28.02.83 Бюллетень № 8

Дата опубликования описания 02.03.83 (53) УДК 621.314. .27 (088.8) 1

В.А. Фокин/

{72) Astop изобретения (71) заявитель (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ

СВЯЗЬЮ

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для плавного регулирования частоты вращения асинхронных двигателей в приводах различных областей народного хозяйства.

По основному авт. св. ¹ 470046 известен непосредственный преобразователь частоты с непосредственной связью для частотного управления асинхронным двигателем, который содержит два трехфазных трансформатора, вторичные обмотки которых соединены с зажимами переменного тока днодных мостов, зашунтированных цепочками нз дросселя н тиристора, а также коммутирующие конденсаторы между одноименными зажимами шунтирующих тнристоров, причем первичные обмотки этих трансформаторов соединены пофазнс -последовательно треугольником, а между лучами соеднненных звездой вторичных обмолвок присоединены соответствующие фазы нагрузкы 1 ).

Недостаток известного решения состоит в плохом качестве выходного напря ження, обусловливаюшем ухудшение энергетических показателей и ограничивающем сверху диапазон частотного управ ления двигателем.

Henb изобретения - .улучшение качест» ва выходного напряжения путем умень

1 шения коэффициента гармоник.

Поставленная цель достигается тем, что преобразователь частоты снабжен третьим трехфазным трансформатором с первнчньтм н вторичным комплектами трехфазных обмоток и дополнительным трехфазным днодным мостом с полностью управляемым ключевым элементом на

его выходе постоянного тока, причем входные выводы моста н концы первнчной обмотки трансформатора, соединенной в звезду, подключены к точкам соединено ння первичных обмоток соответствующих фаз первых двух трехфазных трансформаторов, а вторичная .трехфазная обмотка введенного трансформатора свойми кон1001 цами включена между концами соответствуюших фаз вторичной трехфазной об мотки одного из первых двух трансформаторов и тремя выходными выводами преобраз ова тел я.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг.

2 - векторные диаграммы напряжений на элементах отдельных фаз цепи вторичных обмоток трансформаторов и нагрузки, 10 соответствующие каждая открытому состоянию одного из шунтируюших тиристоров на выходе соответствующих диодных мостов; на фиг. 3 — 5 - временные диаграммы напряжений на тех же элементах- 5 устройства, а также соответствующие эпюры переключаюших функций.

Предлагаемое устройство содержит основные силовые трансформаторы 1 и

2, первичные обмотки 3 и 4 которых соединены пофазно-последовательно в общую схему треугольника, вершины которого присоединены к питающей трехфазной сети. Точки последовательного соединения первичных обмоток 3 и 4 присоединены к входу переменного тока диодного моста 5. Вторичные обмотки

6 и 7 трансформаторов 1 и 2 присоединены как к входам переменного тока диодных мостов 8 и 9, так и к соединяюшей их пофазно-последовательно цепи из статорной обмотки 10 и вторичной обмотки 1 1 дополнительного трансформа» торе 12, первичная обмотка 1 3 которого присоединена лучами звезды к точкам

35 пофазно-последовательного соединения первичных обмоток 3 и 4 основных силовых трансформаторов 1 и 2. Диодный мост 8 зашунтирован цепочкой из дросселя 14 и тиристора Ч, диодный мост

9 - цепочкой из дросселя 1 5 и тирис тора, а диодный мост 5 — цепочкой вз дросселя 1 6 и тиристора Ч . Катоды шунтируюших тиристоров V g, Чц и соединены коммутирующими конден45 саторами 17 - 19, а их аноды — конденсаторами 20 - 22.

На фиг. 2а — в приведены векторные диаграммы напряжений для элементов устройства, последовательно соединенных с одной фазой нагрузки, соответствующие

50 каждая закороченному состоянию одного из трех диодных мостов; на фиг. 2г — е— аналогичные векторные диаграммы напряжений для элементов устройства другой фазы, а на фиг. 2ж — и - аналогичные

55 векторные диаграммы напряжений для элементов устройства третьей фазы. На иг. За — г приведены временные диа374 4 граммы напряжений на обмотках :,11, 7 и 10 устройства, соответствующие поочередному открытому состоянию шунтируюших тиристоров Vg Ч и Ч8 на выходе своих диодных мостов 9, 5 и 8 согласно эпюрам переключения фиг. Зд -ж.

Эти временные диаграммы соответствуют также векторным диаграммам фиг. 2а — в для той же фазы нагрузки при отношении частоты коммутации к частоте сети равном 1,6. Аналогичные временные диаграммы на фиг. 4 соответствуют второй фазе нагрузки и векторным диаграммам фиг. 2r — е, а временные диаграммы фиг. 5 - третьей фазе нагрузки и векторным диаграммам фиг.2ж-и

Устройство работает следующим образом.

Поочередно закорачивают диодные мосты 5, 8 и 9 на взаимно равные регулируемые интервалы времени с помошью шунтируюших эти мосты тиристоров. Коэффициенты трансформации. основных трансформаторов 1 и 2 и вспомогательного трансформатора 12 выбирают одинаковыми.

Открытому состоянию шунтируюшего тиристора на выходе диодного моста 8 соответствуют: — работа трансформатора 1 в режиме трансформатора тока вследствие короткого замыкания вторичной обмотки 6 трансформатора 1 и обусловленное этим практически нулевое значение падения напряжения на первичной обмотке 3 трансформатора 1; — подключение каждой из фаз первичной обмотки 4 к линейному напряжению питаюшей сети.

Открытому состоя нию шунтируюшего тиристора на выходе диодного моста 9 соответствуют: — работа трансформатора 2 в режиме трансформатора тока вследствие короткого замыкания вторичной обмотки 7 трансформатора 2 и обусловленное этим практически нулевое значение падения напряжения на первичной обмотке 4 трансформатора 2;

- подключение каждой из фаз первичной обмотки 3 к линейному напряжению питающей сети; — получение выходного напряжения на нагрузке 10 в виде суммы напряжений на вторичных обмотках 6 и 11 трансформаторов 1 и 12.

Открытому состоянию шунтируюшего тиристора на выходе диодного моста 5 соответствуют:

1б61

$ — работа трансформатора 12 в режиме трансформатора тока вследствие коротка го замыкания первичной обмотки 13 трансформатора 12 и обусловленное этим практически нулевое значение падения напряжения на вторичной обмотке 11 трансформатора 12;

- образование замкнутой нулевой точки одноименных зажимов первичной обмот ки 3 трансформатора 1, не отмеченных >0 звездочками;

- образование замкнутой нулевой точки одноименных зажимов первичной обмотки

4 трансформатора 2, отмеченных звездочками; — образование угла сдвига по фазе

60 между фазными напряжениями ЭДС обмоток 6 и 7 трансформатора l и 2, соединенных последовательно с выходной обмоткой 10 (статорная обмотка управ- 20 немого асинхронного двигателя) с разных сторон ее одноименных зажимов; — получение выходного напряжения на нагрузке в виде разности напряжений на соответствующих фазах обмоток 6 и

7 трансформаторов 1 и 2.

Переходу от открытого состояния шунтирующего тиристора на выходе диодного моста 8 к его закрытию и отпиранию шунтируюшего тиристора на выходе диод-Зй ного моста 9, соответствуют: — переход трансформатора 2 с обмотками 4 и 7 в режим короткого замыкания, когда падения напряжения на этих обмотках практически равны нулю; 35 — изменение на 180з начальной фазы напряжения на каждой фазе последовательно соединенных статорной обмотки

10 асинхронного двигателя и вторичной обмотки 11 трансформатора 12; Ю

- изменение на 120о начальной фазы как первичной 13, так и вторичной 11 обмоток дополнительного.трансформато ра 12.

Переходу от открытого состояния шунтирующего тиристора на выходе диодного моста 9 к его закрытию и отпиранию шунтирующего тиристора на выходе диодного моста 5 соответствуют:

- переход трансформатора 12 с об- д мотками 11 и 13 в режим короткого замыкания, когда падения напряжения на этих обмотках практически равны нулю; — соединение каждой нз первичных обмоток 3 и 4 трансформаторов 1 и 2 звездой с общей нулевой точкой, образованной закороченным мостом 5, и обусловленное этим уменьшение в 1,73 раза фазного напряжения на каждой из

374 4 вторичных обмоток 6 и 7 основных тран" сформаторов 1 и 2 по сравнению с ранее рассмотренными случаями, когда фазы первичных обмоток этих трансформато- ров поочередно подключались к линейным напряжениям питающей сети.

Переходу от открытого состояния шунтируюшего тиристора к его запиранию и отпиранию шунтирующего тиристора на выходе диодного моста 8 соответствуют:

- переход трансформатора l с обмотками 3 и 6 в режим трансфор.:атора тока вследствие закорачивания вторичной обмотки 6; — подключение отдельных фаз первичной обмотки 4 трансформатора 2 практически к полному линейному напряже нию питающей сети, — подключение лучей звезды первичной обмотки 13 к линейному напряжению трехфазной питающей сети.

Далее имеет место повторение коммутационного цикла поочередного закорачивания диодных мостов 8, 9 и 5.

Отпирание очередного шунтируюшего

L тиристора сопровождается запиранием ранее открытого тиристора обратными напряжениями соответствующей пары коммутирующих конденсаторов 17 — 22, которые перезаряжаются до напряжения противоположной полярности в последующий интервал времени по цепи из открытого тиристора, ранее зашунтированного диодного моста и нндуктивности его шунтируюшей цепочки.

Описанному алгоритму работы предлагаемого устройства соответствуют векторные диаграммы напряжений фиг. 2а-и.

Из приведенных диаграмм следует, что после каждого переключения в силовой цепи предлагаемого устройства имеет место скачкообразное изменение начальной фазы напряжения в нагрузке на угол 120о. Аналогичные зависимости можно было бы записать для векторных диаграмм фиг. 2г — 2е второй фазы нагрузки и фиг. 2ж - и — для третьей фазы нагрузки.

Для одной из фаз предлагаемого ус ройства на фиг. 3а приведена временная диаграмма напряжения Ug на вторичной обмотке 6 трансформатора 1 при поочередном отпирании шунтирующих тиристоров на стороне постоянного тока диодных мостов 9,5 и 8; на фиг. Зб - напряжение

О „на вторичйой обмотке 11 дополнительного трансформатора 12; на фиг. Звнапряжение 0- на вторичной обмотке. 7 трансформатора 2; на фиг. Эг - напряже1001

7 ние на данной фазе нагрузки 10, на фиг. Зд — ж — эпюры коммутационных функций, соответствующих поочередному открытому состоянию тиристоров на выходе диодных мостов 9, 5 и 8 и скачкообразному изменению как начальных фаз, так и амплитуд напряжений иа указанных элементах устройства. Из принципиальной схемы предлагаемого устройства и приведенных време нньix диаграмм следует 10

0 =U +U — (J . Аналогичные зависи10 Ь 1 (; мости для второй фазы данного устройства приведены на фиг. 4а —.ж, а для его третьей фазы — на фиг. 5а - ж.

Отрицательный этап напряжения перед 15

U> в приведенном выше аналитическом выражении обусловлен присоединением обмотки 7 к одноименным зажимам другой полярности обмотки 10 нагрузки по сравнению с обмотками 6 и 11. Это 20 обстоятельство учитывается также в соответствующих векторных диаграммах фиг. 2.

Из кривых фиг. За, 4а и 5а следует, что напряжение на вторичной обмотке 6 25 трансформатора 1 определяется поочередным подключением фаз его первичной обмотки 3 к линейному напряжению сети и фазному напряжению сети, а также за-корачиванием вторичной обмотки 6. Из 5й кривых фиг. Зб, 4б и 5б следует, что напряжение на вторичной обмотке 11 трансформатора 12 определяется поочередным подключением лучей звезды его первичной обмотки 13 к различным линейным проводам питающей сети и закорачиванием этой обмотки. Поочередное подключение первичной обмотки 13 трансформатора 12 к различным линейным проводам питающей сети обусловлено поочередным уменьшением практически до нуля падения напряжения на первичных обмотках 3 и 4 трансформаторов 1 и 2 в результате поочередного закорачивания их вторичных обмоток 6 и 7. Из кривыхфиг. Зв, 4в и 5в следует, что напряжение на вторичной обмотке 7 трансформатора 2 определяется поочередным подклк чением фаз его первичной обмотки 4 к линейному напряжению сети и фазному напряжению сети, а также закорачиванием вторичной обмотки 7. Из сравнения отрезков кривых фиг. 3а и в, относящихся к интервалу открытого состояния шунтирующего тиристора на выходе диодного моста 5, следует, что соответствующие

55 отрезки синусоид в этом случае взаимно сдвинуты во времени на шестую часть периода, что обусловлено закорачиванием

374 при этом несовпадаюших полярностей одноименных зажимов первичных обмоток

3 и 4 трансформаторов 1 и 2. Анал гичный вывод напрашивается из сравнения кривых фиг. 4а и в, а также кривых фиг. 5а и в. Все это обусловливает получение кривой напряжения в нагрузке в виде чередующихся равноинтервальных отрезков синусоид, начальные фазы которых изменяются скачкообразно на третью часть периода питающей сети (фиг. Зг, 4г, 5г). Известно, что частота основной составляющей этого выходного напряжения выражается зависимостью

+ sin(3@+1) Я/3

u = — о у r Зр+1 х

«sinew-(tp«

P — целое число или ноль; — угол начальной фазы напряже ни я пи т ающей сет и; ф - число равное нулю либо единице, либо двум в зависимости от выбора соответствующей фазы нагрузки.

При изменении частоты циклов коммутации и выборе ее превышающей частоту питающей сети имеет место соответству-. ющее изменение в широких пределах чаототы основной составляющей выходного напряжения, что может быть использовано, например, для экономичного частотного управления асинхронным двигателем.

Таким образом, частота основной сос тавляющей напряжения на нагрузке определяется разностью частоты сети и частоты циклов коммутации, а частота вдва раза меньшая по амплитуде бли« жайшей составляющей помехи - суммой частоты сети и двукратной частоты циклов коммутации, в то время как в прототипе частота ближайшей составляющей помехи выражается суммой частот сети и циклов коммутации, а ее амплитуда равна амплитуде основной составляющей разностной частоты.

Во всех обмотках трансформаторов силовой части предлагаемого устройства, а также в обмотке статора управляемо го асинхронного двигателя имеет место непрерывность тока, что обеспечивает существенное повышение надежности вследствие многократного уменьшения коммута пионных перенапряжений на полупровод

9 1001 374 10 ннковых элементах, которые имеют мео- вторичным комплектом трехфазных обмото в известном устройстве иээа освобож- ток н дополнительным трехфазным диоддающейся энергии магнитного поля нн- ным мостом с полностью управляемым дуктивностей рассеяния обесточиваемых ключевым элементом на его выходе пообмоток трансформаторов. стоянного тока, причем входные выводы моста н конпы первичной обмотки трансформатора, соединенной в звеаду, BoltФ о р м у л а и з о б р е т е н и я . ключены к точкам соединения первичных обмоток соответствующих фаз первых

Преобразователь частоты с непосред- 30 двух трехфазных трансформаторов, а вто ственной связью по авт. св. % 470046, ричная трехфазная обмотка введенного отличающийся тем, что, с трансформатора своими конпами включена пелью улучшения качества выходного на- между копнами соответствующих -фаз пряження путем уменьшения коэффнпиен- вторичной трехфазной обмотки одного из та гармоник, он снабжен третьим трех- 1% первых двух трансформаторов и тремя фазным трансформатором с первичным и выходными выводами преобразователя.

1001374

0Б

1001É74

ВНИИПИ Заказ 1439/70 Тираж 685 Подписное

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