Способ дискретного регулирования частоты и непосредственный преобразователь частоты

 

1. СПОСОБ ДИСКРЕТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ, заключающийся в циклическом подключении поочередно следуюощх эквивалентных входных фаз к нагрузке на определенные, одинаковые промежутки времени, задании тех значений частот выходного напряжения преобразователя, при которых периоды повторения входного и выходного напряжений ииеют общее наименьшее делимое, и в последующем преобразовании частоты согласно предварительно составленной для каждого зяачения выходной частоты программы переключения ключей преобразователя, синхронизированной с определенной фазой входной системы напряжений преобразователя, отличающййС я тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения, напряжение подключаемой эквивалентной входной фазы суммируют с дополнительным напряжением отстающей фазы с нарастающей по полупериодам входной частоты амплитуды, задаваемой из условий максимального приближения суммарного напряжения к моногармоническому напряжению заданной выходной частоты. 2. Непосредственный преобразователь частоты, содержащий тиристорные мосты, встречно-параллельно включенные тиристоры которых связывают каждый фазный и нулевой входные выводы S с каждым выходным выводом.преобразователя , и блоки реализации программы управления, включающие в себя компаратор , счетчик импульсов, дешифраторы и распределители импульсов, отличающий ся тем, что, с целью улучшения качества преобразованного напряжения за счет уменьшения его коэффициента гармонии,, в выходную цепь калэдой фазы преобразоа вателя введен регулятор напряжения, со выполненный в виде трансформатора, концы и промежуточные отводы вторич4 ной Обмотки которого через управляющие ключи переменного тока подключе-. ны к одному выходному выводу этого моста, а его первичная обмотка подключена к выходным выводам тиристорного моста соо ветствующей соседней фазы преобразователя.

„,SUÄÄ 110069

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК з(д) Н 02 И 5/27

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTQPCH0MY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

life s.û...

ГОСУДАРСТВЕННЬ1Й КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OfHPblTHA (21) 3469394/24-07 (22) 14.07.82 (46) 30.06.84. Бюл. и 24 (72) Л.А. Рутманис (7 1) Физико-энергетический институт .

АН Латв CCP (53) 621. 314. 27 (088. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

В 653700, кл. Н 02 M 5/27, 1972.

2, Крогерис А, и др. Полупроводниковые преобразователи электрической энергии. Рига, "Знание", 1969, с.376.

3. Авторское свидетельство СССР

В 705618, кл. Н .02 M 5/27, 1976.

4. Авторское свидетельство СССР

В 600674, кл. Н 02 М 5/27, 1970. (54)(57) 1. СПОСОБ ДИСКРЕТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ, заключающийся в циклическом подключении поочередно следующих эквивалентных входных фаз к нагрузке на определенные, одинаковые промежутки времени, задании тех значений частот выходного напряжения преобразователя, при которых периоды повторения входного и выходного напряжений имеют общее наименьшее делимое, и в последующем преобразовании частоты согласно предвари. тельно составленной для каждого зна- чения выходной частоты программы г переключения ключей преобразователя, синхронизированной с определенной фазой входной системы напряжений преобразователя, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения, напряжение подключаемой эквивалентной входной фазы суммируют с дополнительным напряжением отстающей фазы с нарастающей по полупериодам входной. частоты амплитуды, задаваемой,из условий максимального приближения суммарного напряжения к моногармоническому напряжению заданной выходной частоты.

2. Непосредственный преобразователь частоты, содержащий тирнсторные мосты, встречно-параллельно включенные тиристоры которых связывают каждый фазный и нулевой входные выводы ф с каждым выходным выводом.преобразователя, и блоки реализации программы управления, включающие в себя ком- С" паратор, счетчик импульсов, дешифраторы и распределители импульсов, и о т. л и ч. а ю шийся тем, что, с целью улучшения качества преобразованного напряжения за счет уменьг шения его коэффициента гармонии,.в выходную цепь каждой фазы преобраэо- CO вателя введен регулятор напряжения, С5 выполненный в виде трансформатора, CO концы и промежуточные отводы вторич- 4h ной обмотки которого через управляющие ключи переменного тока подключе-. ны к одному выходному выводу этого моста, а его первичная обмотка подключена к выходным выводам тиристор- фф ного моста соответствующей соседней фазы преобразователя;

1 1100694 2

Изобретение относится к преобразо- фаз к нагрузке на огределенные, одивательной технике и может быть исполь. "аковые промежутки времени, задании эовано в частотно-регулируемом элек- тех значений частот выходного напря- троприводе, с дискретными ступенями жения преобразователя, при которых изменения частоты выходного напряже- периоды повторения входного и выход5 ния преобразователя с естественной ного напряжений имеют общее наименькоммутацией тиристоров. шее делимое, и в последующем преобраИэвестен способ управления непос- эовании частоты согласно предварительредственным преобразователем частоты, но составленной для каждого значе.согласно которому преобразование пе- 1р ния выходной частоты программы переременного напряжения одной частоты ключения ключей преобразователя, синхнепосредственно в другую осуществля- ронизированной с определенной фазой ют дискретными ступенями, при которых . входной системы напряжений преобрапериоды повторения входной и выход- зователя, напряжение подключаемой ной частот имеют общее наименьшее де- 15 эквивалентной входной фазы суммирулимое и управление преобразованием ют с дополнительным напряжением отчастот осуществляют по заранее сос- стающей фазы с нарастающей.по полутавленным отдельным программам нада- периодам входной частоты амплитуды, чи импульсов на тиристоры 1 1 . задаваемой из условий максимального

Недостаток этого способа — ограни-2О приближения суммарного напряжения к ченные возможности выбора значений моногармоническому напряжению заданвходного напряжения преобразователя . ной выходной частоты. для формирования выходного напряжения Предлагаемый способ не может быть требуемой частоты, величины и фазно- реализован известными схемами преобго сдвига, особенно при естественных g раэователей. коммутациях преобразователя. Известен преобразователь, имеюНаиболее близким по технической щий m-фазный трансформатор с двумя сущности к предлагаемому является комплектами вторичных обмоток, подспособ циклического переключения вход- ключением которых на выходе преобраных фаз преобразователя (способ квази- зователя поочередно формируют выхододнополосного преобразования часто- ное напряжение обеих полярностей. ты), заключающийся в поочередном Использование этой схемы преобразоваподключении к нагрузке на одинаковые теля позволяет получить на выходе промежутки времени сдвинутых по фа- шесть эквивалентных входных фаз презе величин входного напряжения1О. образователя (3 3.

Недостатком известного способа Однако этот преобразователь не

35 является то, что в каждый момент вре- может обеспечить последовательное мени только одна величина входного включение данных входных напряжений напряжения принимает участие в форми- и ступенчатое регулирование их знаровании выходного напряжения преобра- чений, что необходимо для осуществле40 зователя, и так как частоты заданно- ния предлагаемого способа. го и входного напряжений различны, Наиболее близким к предлагаемому то и кривые заданного и выходного является непосредственный преобразонапряжений имеют значительные отличия ватель частоты с искусственной коммупо фазе, что особенно наблюдается

45 тацией тиристоров, имеющий ш-фазные при естественной коммутации тиристо- тиристорнь е мосты, связывающие ш ров преобразователя. входных вывбдов преобразователя с.его

Цель изобретения — улучшение ка- . выходными выводами, а также встречночества выходного напряжения, т.е. параллельно включенные тиристоры,1 уменьшение в выходном напряжении rIpe- через которые каждый из выходных вывообразователя гармонических составля- дов преобразователя соединен с допол50. ющих, не соответствующих заданной нительным ш+1 входным выводом, подклювыходной частоте. чаемым к нулевой точке питающей сеПоставленная цель достигается тем, ти Г43. что согласно способу дискретного ре- . Данная схема позволяет подключить гулирования частоты (непосредствен- 55 к нагрузке поочередно следующие велиного преобразователя частоты), состоя- чины входного напряжения, однако не щему в циклическом подключении пооче- позволяет осуществить последовательредко следующих эквивалентных входных ное их включение, поэтому известное э 11006 устройство также не может реализовать предлагаемый способ.

Цель изобретения — улучшение качества выходного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в непосредственном преобразователе частоты, содержащем тиристорные мосты, встречно-параллельно включенные тиристоры, которых связывают каждый фаэный и нулевой входные выводы с 10 каждым выходным выводом преобразователя, и блоки реализации программы управления, включающие в себя компаратор, счетчик импульсов, дешифраторы и распределители импульсов, в выход- 15 ную цель каждой фазы преобразователя введен регулятор напряжения, выполненный в виде трансформатора, концы и промежуточные отводы вторичной обмотки которого через управляемые ключи переменного тока подключены к, одному выходному выводу этого моста, а его первичная обмотка подключена к выходным выводам тиристорного моста соответствующей соседней фазы преобразователя.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого преобразователя; на фиг.2-4— временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя; на фиг. 5— блок-схема системы управления преобразователя.

Преобразователь (фиг. 1) содержит силовые входные выводы 1-4, образованные выводами переменного тока 35 мостов, например моста 5, одной фазы нагрузки 6, которые подключают соответственно к фаэным напряжениям и к нулевому выводу источника питания соответственно. Последовательно с -40 нагрузкой 6 включен регулятор 7 переменного напряжения, первичная обмотка 8 трансформатора которого подключена к выходным выводам тиристорного моста соседней выходной фазы преобразователя. Регулятор 7 совместно с мостом 5 образует фазный комплект 9 преобразователя. Фазные комплекты двух других фаз нагрузки обозначены цифрами 10 и 11. Тиристоры 12-15 мос-50 та 5 обеспечивают подключение входной фазы 1 к одному (левому) выводу фазы нагрузки 6 и нулевой вывод 4— к другому (правому) ее выводу, причем с помощью тиристоров 14 и 15 — отри- 55 цательное направление. Аналогично с помощью тиристоров 16, 17 и 18, 19 щрдключают входную фазу 3, причем за

94 4 счет первой пары тиристоров ооеспечивают положительное направление, а с помощью второй пары — отрицательное направление тока нагрузки.

Тнристоры 20-27 регулятора 7 напряжения обеспечивают подключение нулевой, первой, второй, третьей ступеней регулирования напряжения, причем тиристоры с четными номерами включают при формировании отрицательного направления тока нагрузки, а тиристоры с нечетными номерами — при формировании положительного направления этого тока, На фиг. 2 приведены U< — кривые входного напряжения, которые можно подключить на выводы тиристорных мостов выходных фаэ преобразователя (или эквивалентные входные фэзы

"1" "2" "3" "4" " " "с"

У Ф 9 кривая заданного или эталонного напряжения одной выходной фазы преобразователя при четырех полупериодах подключения каждой эквивалентной входной фазы на выводы соответствующего тиристорного моста с заданной выходной частотой, равной 46, 15 Гц, при входной частоте преобразователя, равной

50 Гц; dU — кривая мгновенной разности напряжений между заданным напряжением U и поочередно подключенными, например "1", "2", и т.д., входными напряжениями на выходные выводы тиристорного моста "э{од1 Бэ(оя

U (p,7 U (p +1 — кРивые дополнительного входного напряжения "3" и

"4", последовательно включаемые в цепи тиристорный мост - нагрузка через регулятор напряжения. Указанные в скобках значения дополнительных входных. напряжений "3" или "4" указывают степень регулирования напряжения, подаваемого через трансформатор от тиристорного моста циклически следующей входной фазы преобразователя, и примерно равное кривой разности напряжения Ь0; U Ä— результирующая кривая выходного напряжения преобразователя, подаваемая. на фазу нагрузки преобразователя и полученная включением напряжения от выхода тиристорного моста соответствующей выходной фазы последовательно с дополнительным регулированием по величине напряжением с выхода регулятора напряжения.

На фиг. 3 приведены кривые формирования трехфазного выходного нап1100694 ряжения преобразователя при пяти полупериодах подключения каждой поочередно следующей эквивалентной входной фазы на выводы тиристорного моста с,заданной выходной частотой

46, 88 Гц, где кривые, обозначенные цифрами "1" до "6", аналогичны кривым, приведенным на фиг. 2, и где регулятор напряжения имеет четыре ступени регулирования дополнительного напряжения U U>< 0у — кривые эталонного напряжейия трех выходных фаз преобразователя; 1, U4, 0 кривые дополнительных, регулируемых . по веЛичине напряжений, последователь 15 но включаемых в выходной цепи соответствующей фазы преобразователя.

На фиг. 4 приведены кривые выход. I ного напряжения и тока U.ss x1 т первой фазы совместно с импульсами управления U„ тиристорами этой фазы преобразователя, а также кривая напряжения на тиристорном мосту второй выходной фазы преобразователя Ов щ, причем 28-37 моменты подачи импуль-, 5 сов управления.

На фиг. 5 приведен пример выполнения,блок-схемы системы управления, который содержит следующие блоки: компаратор 38, связывающий реализациюзо программ подачи импульсов с определенной фазой входной, системы управления; управляемый ключ 39; генератор 40 прямоугольных импульсов с частотой на порядок большей, чем входная частота преобразователя; двоичный счетчик 41, который ведет счет импульсов генератора управления; дешифратор 42 импульсов повторения счета счетчиком 41; дешифраторы 43-45 импульсов управле- 4р ния тиристорами преобразователя соответственно в трех выходных фазах преобразователя; распределители 46-48 импульсов управления по тиристорам преобразователя; блоки 49 усиления 4 импульсов управления тиристоров трех выходных фаэ преобразователя; счетчик 50 числа периодов входного напряжения; блок 51 сброса информации после реализации программы подачи импульсов управления тиристорами преобразователя.

Уменьшение s выходном напряжении преобразователя гармонических состав-ляющих, не соответствующих заданной выходной частоте, по данному способу, реализуется при помощи устройства (фиг. 1) следующим образом.

Известно, что путем фазного сдвига одного из последовательно включенных источников переменного напряжения можно регулировать результирующую величину переменного напряжения. Однако если в этом способе регулирования напряжения поменять местами функции фазного сдвига и регулирования напряжения, то путем регулирования величины напряжения можно изменить фазный сдвиг результирующего напряжения, полученного путем последовательного включения переменных напряжений разных фаз. Как видно из фиг. 2, при поочередном подключении к нагрузке (например кривые U У. ) на определенные промежутку времени каждой эквивалентной входной фазы постепенно появляется мгновенная разница напряжения dU между заданным напряжением

U> соответствующей частоты и подключенными входными напряжениями U„, Uи т.д. Для компенсации этой разницы включают последовательно с основным подключенным к нагрузке напряжением

U1,U2 и т.д. дополнительное напряжение от другой эквивалентной входной фазы, т.е. сдвинутой по фазе относительно основного входного.напряжения. Так, например, для компенсации разницы dU напряжений 0 „ и О. последовательно с напряжением Uz включают напряжение Б, значение которого увеличивают, например 0,2;

0,5; 0,7 от U по мере увеличения разности напряжений заданного U „ н подключенного U<, U> и т.д. Как видно из фиг. 2, дополнительное компенсирующее напряжение U сдвинуто по фазе относительно напряжения U и по мере увеличения значения компенсирующего напряжения можно постепенно регулировать фазный сдвиг результирующего напряжения на нагрузке как сумму двух переменных напряжений разных фаз и значений напряжения. В результате такого последовательного включения, суммарное напряжение 0 ы„ на нагрузке по фазе и величине больше соответствует заданному напряжению требуемой частоты по сравнению с применением только одного подключенного к нагрузке напряжения, например U u U (фиг. 2). Следовательно, применеиие предлагаемого способа уменьшает потери энергии, путем уменьшения в выходном напряжении гармонических составляющих, не соот1100694 ветствующих заданной частоте напря.— жения преобразователя. Как видно иэ фиг. 3, предлагаемый способ таким же образом реализуется при преобразовании трехфазного выходного напряже- 5 ния преобразователя. Для реализации предлагаемого способа требуется последовательное включение двух эквивалентных входных фаз, что осуществляется в предлагаемом устройстве последовательным включением в цепь .. тиристорный мост 5 нагрузка 6 регулятора напряжения 7, как это показано на фиг. 1. Регулятор напряжения 7 позволяет любым из известных способов регулирования напряжения менять постепенно значение последовательно включенного дополнительного напряжения. Как это видно на фиг. 2, кривая U со значениями 20

0,2; 0,5; 0,7, а также кривые U<

Ug5 со значениями 0,20; 0,35;

0,50; 6,65, при помощи которых разница между заданным напряжением соответствующей частоты и суммарным входным напряжением 0 „„ стремится к нулю.

Как видно из фиг. 2 и фиг. 3, разница Ь0 заданного и подключенного на выходе тиристорного моста напряжения 30 близки по фазе с входным напряжением

U подключенным в этом время на выходе тиристорного моста второй выходной фазы преобразователя.

Процесс преобразования частоты непосредственного преобразователя с естественной коммутацией тиристоров, согласно предлагаемому способу, с формированием выходного тока частотой

46, 15 Гц изображен на фиг. 4. С 40 целью уменьшенйя разницы между эталонным напряжением U < и подключен- ным входным напряжением U>, последовательно с напряжением U включают

Дополнительное регулируемое по зна- 45 ,4ению 0,25 0,50; 0,70 напряжение О. (на фиг. 4 показано внизу), подавае"мое от тиристорного моста второй выходной фазы преобразователя.

В момент времени 28 включают тиристоры 12, 21, 13 (фиг. 1). Приложенное к нагрузке 6 положительное напряжения U< образует выходной ток выл,."(фиг. 4). В момент временй 29 включают тиристор 23, вследствие че- 55

ro к выходному напряжению Увы„ суими

1 руется дополнительное напряжение U со значением 0,25 от номинального, т.е. вводится в действие первая ступень регулирования напряжения. В момент времени 30 включают тиристоры

14, 22, 15 с целью образования отрица-. тельной полуволны тока. В момент времени 31 в выпрямительном режиме работы преобразователя увеличивают значение дополнительного напряжения от 0,25 до 0,5 включением тиристора 24 регулятора напряжения. В момент времени

32 в пределах прекращения отрицательного выхопного тока включают тиристоры 12, 25, 13. В момент времени 33 открыванием тиристора 27 включают третью ступень регулирования дополнительного напряжения со значением 0,7 от номинального. В момент времени 34 включают тиристоры 14, 26, 15, для образования отрицательной полуволны тока. В течение всего времени подключения каждой эквивалентной входной фазы, в данном случае U рекомендуется подавать непрерывные управляющие импульсы на тиристоры 12-t5, а переходы с одной ступени регулирования напряжения на другую в регуляторе напряжения осуществлять в выпрямительном режиме. Для обеспечения надежной раздельной работы тиристорных групп различной проводимости преобразова» теля после окончания подключения одного входного напряжения, например

U в момент времени 35 требуется создать паузу отсутствия проводимости (несколько сот микросекунд), после чего можно подключить следующую эквивалентную входную фазу, например

"2", в момент времени 36 включением о тиристоров 18, 21, 19 и повторить . весь цикл подключения. Как видно из фиг. .1, первичная обмотка 8 трансформатора выходной фазы 9 подключена к тиристорному мосту выходной фазы 10, первичная обмотка 8 трансформатора выходной фазы 10 подключена к тиристорному мосту выходной фазы 11, а первичная обмотка трансформатора вы ходной фазы tt подключена к тиристорному мосту выходной фазы 9. Результаты работы предлагаемой схемы подключения корректирующих напряжений показаны также на фиг. 3, кривые U, 5 Ъь.

Система управления для осуществления предлагаемого способа работает

1 следующим. образом.

Компаратор 38 выявляет начало no" ложительного полупериода входного

1100694

Значение выходной частоты, Гц

49,!8

37,50

42,86

45,00

46,15

46,88 47,36

47,73

49, 22

49, 25

49, 29

49,32

49,34

49,38

23

25

48,00

49.49

49,57

48,21

48,39

10 напряжения одной фазы. Управляемый ключ 39 привязывает импульсы генератора 40 прямоугольных импульсов к входному напряжению, чем осуществляется умножение яастоты. Двоичный 5 счетчик 41 ведет счет импульсов, поступивших от ключа 39. Дешифратор 42 выдает импульсы повторения счета счетчиком 41 после. поступления от ключа 39 количества импульсов, равных 1б по продолжительности полупериоду выходного напряжения. Блоки 43-45 дешифруют импульсы согласно заданным моментам открывания тиристоров преобразователя соответственно в трех выходных фазах преобразователя. Распределители 46-48 распределяют дешифрованные .импульсы по тиристорам, а блоки 49 осуществляют усиление импульсов. Для уменьшения влияния по-20 мех и исключения возможных возникаю щих ложных импульсов введены блоки

50 и 51 Блок 50 осуществляет за счет заданного числа периодов входного напряжения, после чего дешифра- >5 тор 51 импульса сброса осуществляет сброс всей ранее записанной инфор° м&ции.

Выше указанные способом можно преобразовать часТоту выходного нап- 30 ряжения преобразователя с естественной коммутацией тиристоров, работая в диапазоне выходных частот, близких к входной частоте.

В таблице приведен ряд значений, применяемых для регулирования частоты.:

Ожидаемый технический эффект пред,лагаемого способа и устройства для его реализации в сравнении с базовым заключается в улучшении формы кривой выходного напряжения задании частоты, т.е. он позволяет уменьшить в выходном напряжении преобразователя гармонические составляющие, не соответствующие заданной выходной частоте, вследствие чего уменьшаются потери энергии в потребителе. Кроме того, согласно предлагаемому способу и устройству для его реализации, можно добиться сииусоидального выходного напряжения заданной частоты, поскольку суммирование нескольких синусоидальных напряжения регулируемых по фазе и по. значению в результате дают также синусоидальное напряжение..

Такой результат получен без применения искусственнык коммутаций тиристоров преобразователя, и коэффициент мощности преобразователя высокий, поскольку напряжение регулируют в основном не фазовь1м способом, а использованием на нагрузку по полупериодам разных значений входного напряжения преобразователя.

1 100694

12

ПРодолмение таблицы

50

68

92

104

48,53

48,65

48,75

48,84

48,91

48,98

49,04

49,09

49,14 и т.д.

49,63

49,67

49,71

49,76

49,79

49,82

49,84

1100694

1100694

1100694 юг Ф

)цщцПИ Заказ 4593/41 Тираж 667 Подансное фнднал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4