Трехфазный статический удвоитель частоты и его варианты

 

. Трехфазный статический удвоитель частоты, содержащий трансформатор с трехфазными первичной и вторичной обмотками и шесть управляемых вентилей, отличающийся тем, что, с целью улучшения формы выходного напряжения, введен дополнительный трансформатор с трехфазными первичной и вторичной обмотками, причем указанные управляемые вентили соединены Б два треугольника с взаимообрс1тным направлением вентилей,, вершины каждого из которых подключены к одни.м одноименным выводам первичной обмотки одного из трансформаторов, другие одноименные выводы первичных обмоток обоих трансформаторов пофазно соединены и их обш1ие точки соединения образуют пхо.;,ые выводы для подключения трехфазного, источника питающего напряжения, а втормч ые обмотки трансформаторов одноименными фазами соединены встречно, образуя три цепочки , соедияемные между собой в треугольник, вершины которого образуют выходные выводы . 2. Трехфазный статический удвоитель частоты, содержащий трансформатор с трехфазными первичной и вторичной обмотками и шесть управляемых вентилей, от.л«чаю1г(й-, ся тем/Что, с целью улучшения формы выходного , напряжения, .введена дополнительная трехфазная первичная обмотка, включенная в каждой фазе встречно с основной первичной обмоткой, причем общие точки соединения нервичных обмоток образуют в.ходные выводы для подключения тр ехфазного источника питающего напряжения, указанные у1 равляемые вентили соединены в два треугольника с взар.мообратным направлением вентилей, верн1ины каждого из которых подключены к свободным выводам одной из ггервичных обмоток, а вторичная обмотка соединена но схеме треугольника , вершины которого образуют выходные выводы.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН з(511 H 02 M 5(16 с, а д с

Фиг l

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬ)ТИЙ (21) 3487160/24-07 . (22) 02.09.82 (46) 15.12.83. Бюл. №. 46 (72) А. В. Поссе и M. A. Степанова (71) Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения (53) 621.314.26 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР № 450294, кл. Н 02 М 5(16,1974.

2. Патент Франции № 2448807, кл. Н 02 M 5/257, 1980. (54) ТРЕХФАЗНЫЙ СТАТИЧЕСКИЙ УДВОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ (ЕГО ВАРИАНТЫ) (57) 1. Трехфазный статический удвоитель частоты, содержащий трансформатор с трехфазными первичной и вторичной обмотками и шесть управляемых вентилей, отличающийся тем, что, с целью улучшения формы . выходного напряжения, введен дополнительный трансформатор с трехфазными первичной и вторичной обмотками, причем указанные управляемые вентили соединены в два треугольника с взаимообратиым направлением вентилей,. вершины каждого из которых подключены к одним одноименным вывода м первичной обмотки одного из трансформаторов, другие одноименные выводы первичных обмоток обоих трансфорА

„„SU„„1061225 маторов пофазно соединены и их общие точки соединения образуют входные выводы для подключения трехфазного источника пита|ощего напряжения, а вторичные обмотки трансформаторов одноименными фазами соединены встречно, образуя три цепоч ки, соединенные между собой в треугольник, вершины которого образуют выходные выводы.

2. Трехфазный статический удвоитель частоты, содержащий трансформатор с трехфазными первичной и вторичной обмотками и шесть управляемых вентилей, отлачаощий-, ся тем, что, с целью улучшения формы вы ходного, напряжения, введена дополнительная трехфазная первичная обмотка, включенная в каждой фазе встречно с основной первичной обмоткой, причем общие точки Ж соединения первичных обмоток образуют входные выводы для повял(((нення трехфвв- Q) ного источника питакпцего напряжения, указанные управляемые вентили соединены в два треугольника с изаи; ообратным направлением вентилей, вершины каждого 2 из которых подключены и свободным BblBoдам одной из первичных обмоток, а вторичная обмотка соединена по схеме треугольника, вершины которого образуют выходные ОЪ . выводы. юла

1061225

Изобретение относится к электротехнике н может быть использовано в качестве источника трехфазной системы напря>кений повышенной частоты.

Известен трехфазный статический улвоитель частоты, содержа1дий кольцевой магнитопровод с пазами, в которые уложены первичная и вторичная обмотки, причем первичной обмоткой в магнитопрсводе создается магнитный поток, вращающийся с удвоенной частотой. Первичная обмотка питается через трн однофазные мостовые выпрямители 11).

Основной недостаток этого устройства— сложная конструкция кольцевого магнитопровода.

Наиболее близким к изобретению является трехфазный статический улвоитель частоты, содержащий трансформатор с трехфазными первичной и вторичной обмотками и шесть уп(эавляемых Вентилей 121.

-Недостатком этого удвоителя частоты является низкое качество выходного напряжения двойной частоты.

Целью изобретения яьляется улучшение ф01>мы вьlходного нап 1>яжени л.

Поставленная цель достигается тем, что в трехфазный стат1гческнй удвоитель частоты, содержащий траыформатор с трехфазными пе1>вичной и вто1>ичнои Обмотками и ц1еcTb управляемых вентилей. введен лополнительный трансформатор с трехфазными первичной и Вторичной обмотками, причем указанные управляемые вентили соединены в лва треугольника с взаимообратHhlf направлением вентилей, першины каждого из которых подключены к одним одноименным выводам

Ht .pBH Ikf0fI ОбмОтки 0Ifkf01 о нз Т1эа11сфо)эматоров, другие одноименные выволы первичных обмоток обоих трансформаторов пофазно соединены и их общие точки соеди11ени>1

Об)эазуют Входные ВыВОды для подклкгчения трехфазного источника питающего напряжения,а вторичные обмотки трансформаторов одноименными фазами соединены встрсчнО, образуя три цепочки, соединенные между собой в треугольник, вершины которого образуют выходные выводы.

Согласно второму варианту выполнения устройства в трехфазный статический удвоитель частоты, содержа1ций трансформатор с трехфазными первичной и вторичной обмотками и шесть управляемых вентилей, введена дополнительная трехфазная первичная обмотка, включенная в каждой фазе встречно с основной первичной обмоткой, причем общие точки соединения первичных обмоток образуют входные выводы для подключения трехфазного источника питающего напряжения, указаннь1е управляемые вентили соединены в лва треугольника с взаимообратным направлением вентилей, вершины кажлопэ из которых полкл1очены к свободным выводам одной из первичных Обмоток, а вторичная обмотка соелиненй по схеме треугольника, вершины которого образуют выхолные выводы.

На фиг. l представлена электрическая схема трехфазного стагического удвоителя частоты согласно первому варианту; на фиг. 2 — эпюры напряжений; на фиг. 3— электрическая схема второго варианта трехфазного статического удвоителя частоты.

Трехфазный статический удвоитель частоты (фиг. 1) содер>кит два одинаковых трех10 фазных двухобмоточных трансформатора 1 и 2. Фазные выводы первичных обмоток обоих трансформаторов подключены к входным выводам 3 лля подключения трех.фаз А, В, С источника питающего напряжения с частотой f. Ha выходных выводах 4, к которым подключены вершины треугольника, образованного вторичными обмотками трансформаторов 5 — -10, возникает симметричная трсхфазная система напряжений двойной частоты 2f. Вторичные обмотки одноименных

211 фаз соединены втречно: три верхние перемычки соединяют соответственно начала обмоток 5 и 6 фазы А, обмоток 7 и 8 фазы В, обмоток 9 и 10 фазы С. Управляемые вентили, например тиристоры 11 — 16, соединены в лва треугольника с взаимообратным на- правлением вентилей. Вершины треугольника из вентилей 11 — 15 подключены к свободным выводам 17 — 19 первичной обмотки трансформатора 1, а вершины треугольника из вентилей !4- — 15 подключены к свободным выводам 20--22 первичной обмотки трансформатора 2.

Указанное включение вентильных трсугольнико1з обеспечивает образование в обмотках грансформат1эров напряжений с большим содержанием второй гармоники.

При этом использование вентильных треугольников .с взаимообратным направлением вентилей (тиристоров) создает необходимый сдвиг между напряжениями обмоток одноименных фаз (нечетные гармоники напряжений совпадают по фазе, четные — в противофазе) .

Встречное включение одноименных фаз вторичных обмоток обеспечивает выделение на выходе удвоителя напряжений двойной частоты (напряжений, содержащих только вторую и другие четные гармоники).

На фиг. 2, поясняющей работу удвоителя частоты на оси 23, показаны фазные напря- жения Ц, Ug, U6 на входе удвоителя; на осях 24, 25 -- импульсы управления U11, Ufz, Ц6 и токи i, ilH, i .тиристоров l l, 5о 13 и 15- первого вентильного треугольника; на осях 26 и 27 — импульсы управления

Ut6 UQ U14 H Токи 116, Igg, 11 THpflCTOpOB

12, 14,16 второго вентильного треугольника; на осях 28 и 29 — — напряжения U6 u Ug вторичных обмоток 5 и 6 фазы А, на оси 30-напряжение Uac на выходе удвоителя частоты, представлякнцее собой разность напряжений U6 и Ug и основная его гармониКа 1Jfg.

1061225

Вариант трехфазного статического удвоителя частоты, показанного на фиг. 1, работает следующим образом.

Импульсы управления сдвинуты на угол управления (в сторону отставания от моментов пересечения кривых входных фазных напряжений, когда на,соответствующих тирнсторах возникают положительные анодные напряжения. Так, показанный для тиристора 13 угол А отсчитывается от момента, . после которого Vs становится больше Uc 1O и определяет фазовое положение импульса управления (11з. Такой же по величине угол сс определяет положения импульса U15 и других импульсов управления. Для тиристоров одного вентильного треугольника импульсы управления следуют через 1/3 периода 15 входной частоты или 120 . Смежные по номерам импульсы, относящиеся к разным вентильным треугольникам, сдвинуты на 1/6 периода или на 60 .

Показанные на осях 25 и 27 анодные 2р токи тиристора определяются приложенными к первичным обмоткам трансформаторов напряжениями, индуктивностями холостого хода и углом управления. Из них формируются намагничивающие токи трансформаторов.

Исходя из того, какие тиристоры проводят ток в данном промежутке времени, находятся отдельные участки напряжений и U6. В промежутках, когда ток проводят одновременно два тиристора-первого вентильного треугольника, на обмотке 5 возникает фазное напряжение U . Например, в промежутке tqt проводят ток тиристоры 15 и ll; следовательно, нулевые точки А1, В1, С1 первичной обмотки трансформатора 1 (фиг. 1) закорочены, на фазах первичной и вторичной обмоток этого трансформатора возникают напряжения, равные входным фазным напряжениям (для определенности и сокращения пояснений считаем, что коэффициент трансформации равен единице) и, в частности Us = Up,. В промежутке t4t>, 40 когда в пЕрвом вентильном треугольнике ток проходит только через тиристор 11, на фазе А первичной обмотки и на обмотке 5. трансформатора возникает, как это следует из схемы на фиг. l, напряжение

В промежутке, когда в первом вентильном треугольнике ток проходит только через тиристор 13, нулевой вывод фазы А первичной обмотки трансформатора 1 оказывается изолированным и поэтому Up=0. В промежутке, когда в первом веHTHslbHOM треугольнике ток проходит только через тиристор 15, на фазе А первичной обмотки и на обмотке 5 с5. возникает напряжение — (— (.)с) .

Аналогично находится и строится напряжение Vg на вторичной обмотке 6 трансформатора 2, где Л, В . С -- нулевые точки его первичной обмотки.

Напряжения 3 и Ug содержат нечетные и четные гармоники, в том числе достаточно большую вторую гармонику, В этих напряжениях первые и другие соответствуюгцие нечетные гармоники одинаковы по амплитудам и совпадают по фазе, вторые и другие соответствующие четные гармоники тоже одинак,овы по амплитудам, но находятся в противофазе. Благодаря этому разность этих напряжений, получающаяся на выходе удвоителя частоты вследствие встречного включения вторичных обмоток, содержит только четные гармоники. Напряжение U, равное U5 — Ug, построено на оси 30 (фиг. 2) .

Это одно из трех выходных линейных напряжений, другие два — такие же по форме, но сдвинуты на 1/3 периода двойной выходной частоты. Таким образом, подведенная к устройству симметричная трехфазная система напряжений частоты 1 преобразуется благ 1даря нелинейным элементам — тиристорам . в симметричную трехфазную систему напряжений удвоенной частоты 21.

Анализ кривой выходного напряжения удвоителя частоты показывает, что наилучшие результаты получаются, если угол управ ления д, имеет значения в пределах 105-115 входной частоты: амплитуда второй гармони ки (основной для .выходного напряжения) составляет 87 — 90% от амплитуды фазного напряжения на входе, а коэффициент искажения синусоидальности кривой выходного напряжения имеет значения в пределах 0,210,26. Наибольшая амплитуда второй гармоники получается при o(= 105", наименьший коэффициент искажения — при 6 = 111 .

На фиг. 2 выходное напряжение U соответствует углу d, =- 108, при котором амплитуда его основной гармоники составляет

89,7О/0 от амплитуды фазного напря>кения на входе,. а коэффициент искажения ра- вен 0,22.

Второй вариант трехфазнсч о статического удвоителя частоты, показанного на фиг. 3, содержит один трансформатор 31 с двумя трехфазными перви шыми обмотками, соединенными в каждой фазе встречно, причем общие точки соединения фазных обмоток 3237 образуют входные выводы для подключения фаз А, В, С источника питающего напряжения с частотой f. Свободные выводы фазных обмоток 32 — 37 подключены соответственно к вершинам треугольников, образованных управляемыми вентилями (тиристорами) с взаимообратным направлением вентилей 38 — 43. А, В1, С4 и А2, В, С вЂ” нулевые точки первичных обмоток.

Вторичные обмотки трансформатора 44—

16 соединены в треугольник, вершины которого образуют выходные выводы а, в, с, с ко

1061225

3 трехфазное напряжение горых снимают с частотой 2f.

Благодаря использованию одного трансформатора этот вариант проще первого.

Работа трехфазного статического удвои. теля по второму варианту аналогична его работе по первому варианту.

В обоих вариантах предлагаемого устрой-., ства из-за вентильных треугольников, тиристоры которых отпираются с некоторым 10 запаздыванием на угол а, в напряжениях и токах первичных обмоток и магнитном потоке трансформаторов (вариант по фиг. 1) или трансформатора (вариант по фиг. 3) возникают вторые гармоники. В варианте устройства по фиг. 3 выделение второй гармоники происходит в магнитном потоке трансформатора: благодаря встречному включению двух одинаковых первичных обмоток и включению с0 стороны их нулевых выводов вентильных треугольников с взаимообрат- 2р ным направлением тиристоров в магнитном потоке каждого стержня компенсируются первая и другие нечетные гармоники, а вторая и другие четные гармоники складывают25 ся (в результирующем магнитном потоке зни вдвое больше, чем в магнитном потоке, оздаваемом каждой первичной обмоткой в отдельности). В результате напряжения на фазах вторичной обмотки имеют двойнук> частоту и на выходе удвоителя выдается трехфазная система напряжений двойной З частоты. По сравнению с известным устройством, в котором также используется трехфазный трехобмоточный трансформатор, предлагаемое устройство дает на выходе напряжение более высокого качества (в несколько раз меньше коэффициент искажения синусоидальности этого напряжения).

В случае, когда удвоитель частоты пред. назначен для питания трехфазного двигателя (синхронного или асинхронного),можно предлагаемое устройство по фиг. 3 в части первичных обмоток выполнить непосредствен но на статоре двигателя, уложив в его пазы две встречные трехфазные обмотки, и со стороны их нулевых выводов включить два вентильных треугольника со взаимообратным направлением тиристоров. При этом в двигателе возникает. вращающееся магнитное ноле удвоенной частоты, синхронная скорость вращения возрастает вдвое.

Во всех вариантах предлагаемого устройства его основное преимущество по сравнению с прототипом состоит в значительно меньшем искажении синусоидальности кривой выходного напряжения. Это приводит к лучшему использованию мощности трансформатора и двигателя, к уменьшению потерь энергии от высших гармоник, Лучшее использование связано прежде всего с тем, что обмотки трансформатора значительно меньше загружаются высшими гармониками. В предлагаемом устройстве номинальная мощность трансформатора, рассчитанная для синусоидального тока, должна быть из-за высших гармоник снижена на 20%, тогда как в прототипе (базовом объекте) — вдвое. Другими словами, прь, одинаковом по мощности оборудовании по; лезная мощность предлагаемого устройств» в 1,6 раза выше. Повышение качества вы ходного напряжения равносильно сниженик. затрат на фильтры высших гармоник. Кроме того, снижаются потери энергии.

Составитель Л. Устиикина

Редактор С. Тимохина Техред И. Верес Корректор Г. Решетнил

Заказ 10055 55 Тираж 687 Поднисное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий! l 3035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., a. 4/5

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