Трансформаторно-ключевой непосредственный преобразователь частоты однофазного напряжения
ТРАНСФОРМАТОРНО-КЛЮЧЕВОЙ НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ОДНОФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий два полностью управляемых ключа переменного тока, трехстержневой магнитопровод с первичной и двумя вторичными обмотками, расположенными на крайних стержнях, одними концами соединенными согласно-последовательно, а другими образующими выходные выводы преобразователя, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, повышения стабильности выходной характеристики и увеличения входного коэффициента мощности, первичная обмотка разделена на две зашунтированные упомянутыми ключами полуобмотки, которые размещены на крайних стержнях магнитопровода и одними концами соединены между собой (Л последовательно-встречно, а другими подключены к входным вьшодам.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК (19) () I) 4(g)) Н 02 M 5/27
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3673359/24-07 (22) 13. 12. 83 (46) 23.04.85.Бюл. N - 15 (72) Е.А.Карпов, В.А.Логиненко и В.А.Кравчук (71) Винницкий политехнический институ т (53) 621 ..314. 27 (088. 8) (56) 1. Труды МИИТа. М., вып. 405, 1972.
2. Тонкаль В.Е. и др. Магнитно-полупроводниковые модуляционные преоб— разователи частоты. Киев, "Наукова думка", 1970.
3. Авторское свидетельство СССР
9- 930531, кл. Н 02 М 5/27, 1980. (54)(57) ТРАНСФОРМАТОРНО-КЛК)ЧЕВОЙ
НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ОДНОФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий два полностью управляемых ключа переменного тока, трехстержневой магнитопровод с первичной и двумя вторичными обмотками, расположенными на крайних стержнях, одними концами соединенными согласно-последовательно, а другими образующими выходные выводы преобразователя, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью упрощения конструкции, повьппения стабильности выходной характеристики и увеличения входного коэффициента мощности, первичная обмотка разделена на две зашунтированные упомянутыми ключами полуобмотки, которые размещены на крайних стержнях магнитопровода и одними концами соединены между собой последовательно-встречно, а другими подключены к входным выводам.
11520 /5
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в электроприводе и спецэлектрометаллургии (устройства электромагнитного перемешивания металлических расплавов).
Известен непосредственный преобразователь частоты с искусственной коммутацией вентилей (i) .
Однако в данном устройстве при 10 больших токах нагрузки (установки электромагнитного перемешивания металлического расплава в вакуумных печах), которые имеют величину порядка тысячи ампер и более, согласование напря-15 жения питания и нагрузки, а также реализация узла коммутации затруднены.
Из в ест ен магнитно — полупроводник овый преобразователь, работающий по принципу поочереднойкоммутации магнитных. 20 потоков в двух независимых одноконтурных магнитопроводах. В этом преобразователе устранены недостатки указанного устройства (2) .
Однако в этом устройстве установ- 5 ленная мощность превышает в два ра— за мощность, потребляемую нагрузкой, а потребление обмоткой управления значительной реактивной мощности ухудшает массогабаритные показатели узла коммутации. Кроме того, такое устройство обладает низким быстродействием в моменты переключения управляющих обмоток, так как восстанавливаются и гасятся два независи35 мых магнитных потока, что приводит к искажению формы кривой первичного тока.
Наиболее близким к изобретению по существу технического решения
40 является преобразователь, силЬвая часть которого состоит из трехстержневого магнитопровода, на среднем стержне которого размещена первичная обмотка, а на каждом крайнем стержне
45 одна вторичная и одна управляющая (коротящая) обмотки. Вторичные обмотки соединены согласно и последовательно с нагрузкой, а управляющие обособлены и коммутируются узлами
Ъ коммутации. Известный преобразователь имеет улучшенные массогабаритные показатели, а восстановление и гашение магнитных потоков в общей магнитной цепи позволяет улучшить 55 его динамнческие свойства, и, следовательно, снизить его искажающее влияние на питающую сеть (31 .
Однако известное устройство имеет низкое качество выходного напряжения из-за повышенного внутреннего сопротивления, т.е. преобразователю присуща недостаточно жесткая выходная характеристика, что особенно важно в случае реализации больших выходных токов. Следствием этого является пониженный коэффициент мощности устройства, а обособленность управляющих обмоток приводит к возникновению коммутационных перенапряжений.
Качество выходного напряжения (жесткость выходной характеристики) известного устройства оценивают с помощью теоремы Тевенена об эквивалентном источнике, определив его внутреннее сопротивление.
Обозначим: х — сопротивление первичной обмотки, размещенной на среднем стержне трехстержневого магнитопровода; х, х 4 — coIIpoTHBJIpHHII вторичных обмоток, расположенных на левом и правом стержнях соответственно; х, х — сопротивления управляющих обмоток, расположенных на правом и левом стержнях, соответственно; х,х,, х14 — сопротивления магнитной
12 связи межцу обмотками с соответствующими индексаMHi — первичный, вторичный и управляющий токи.
Пренебрегая активными сопротивлениями обмоток и рассматривая только принужденную составляющую переходного режима при замыкании, например, обмотки х, запишем систему уравнений электромагнитного состояния, соответствующую закороченному входу преобразователя:
Ь, о1
X t (f14 XS2l ß t Xe, )(р 0 д( 1 7. (Х -" l +(» + Х 4 Х244 »421 gg ("2 Х43 "
М 2
JIB
x — =Н о
3>g Ф5
Х + » 2+» 4l Ф Х3 - О 1 О 32 @ Я или в символической форме при х =х
Х4;-Х 24.
115207 5
jx,1,i), 1,,=0;
j2(л, х )f,i)(х „ х4 lf,=U ;
1 "yg (+)(х + х ) 1 ) Х 1 О откуда внутреннее сопротивление эквивалентного источника:
1О
Вводя коэффициент связи и принимая его равным единице для обмоток, находящихся на одном стержне, получим
f(r»<1)(Kii1)12K k з i(11 К1е) 2(1+Хм) о Ра з з
Будем считать коэффициенты связи между обмотками, находящимися на крайних стержнях, равными
25 что достаточно справедливо, особенно при секционном расположении обмоток.
Тогда внутреннее сопротивление
30 (К q) (K1 2K» kq -1.)
Таким образом, реактивный характер внутреннего сопротивления определяет З5 понижение коэффициента мощности известного устройства, а его конечная величина характеризует пониженную жесткость выходной характеристики, т. е. снижает качество выходного напря- 40 жения преобразователя. Видно, что эти два показателя критичны к изменению степени связи между соответствующими обмотками, что предъявляет повышенные требования к качеству монтажа и сбор-45 ки преобразовательного трансформатора.
Цель изобретения — упрощение кон- струкции, повышение стабильности выходной характеристики и увеличение 50 входного коэффициента мощности.
Поставленная цель достигается тем, что в трансформаторно-ключевом непосредственном преобразователе частотьц однофаэного напряжения, содержащем 55 два полностью управляемых ключа переменного тока,трехстержневой магнитопровод с первичной и двумя вторичными обмотками, расположенными на крайних стержнях, одними концами соединенными согласно-последовательно, а другими образующими выходные выводы преобразователя, первичная обмотка разделена на две зашунтированные упомянутыми ключами полуобмотки, которые размещены на крайних стержнях магнитопровода и одними концами соединены между собой последовательновстречно, а другими подключены к входным выводам.
Ф
На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя.
Устройство состоит из трехстерж= невого магнитопровода 1, обмоток
2 — 5, полностью управляемых ключей
6 и 7 переменного тока, входных выводов 8 и нагрузки 9. Вторичные обмотки 2 и 4 размещены на боковых стержнях магнитопровода 1, соединены согласно-последовательно с нагрузкой 9. Первичные полуобмотки 3 и 5 также размещены на боковых стержнях, соединены последовательно-встречно и подключены к выводам 8 для подключения питающей сети.
Вследствие встречного включения первичных полуобмоток 3 и 5 при выключенных ключах 6 и 7 напряжение на нагрузке 9 равно нулю. Поочередное замыкание с регулируемой частотой ключей 6 и 7 приводит к переключению общего магнитного потока с левого контура на правый и наоборот с высоким быстродействием, при этом напряжение на нагрузке изменяет знак на противоположный. Характерно, что первичные обмотки в этой схеме поочередно выполняют функции управляющих. Огибающая тока нагрузки i (фиг. 2) изменяется с частотой, равной разности частот входного напряжения и напряжения управления.
На фиг. 2 приняты следующие обозначения: U U2 — входное и выходное напряжения преобразователя, выходной ток RL-нагрузки; U — напряжение управления ключами 6, 7;
1 4 1 ТОКИ ЧЕРЕЗ ЭТИ КЛЮЧИ °
Покажем, что предлагаемый преобразователь имеет повышенную жесткость выходной характеристики и повышенный коэффициент мощности.
Внутреннее сопротивление источника, эквивалентного предлагаемому
1152075
30 ми преобразователю, определим из системы уравнений, описывающей вынужденный режим в схеме (фиг. 1) при эамкнут6й обмотке 3 и указанных допущениях. Индексы обмоток соответствуют указанным на фиг. 1.
411 gled d ъ
"g)g (52 "641Я "g)
Й, г (хг х4д1у Ф(хгФ x g tx gq kx4y) — (хг 4 х ) х
Ж х — = (31Ъ о (3>(J l ja y
35gg (32 341gg х3
В символической форме
1I,+ 5(К 2+ х 4)1г+5 х E> -0;
5(pg "qSlEi<1 ( j x> I>1(x> Откуда, при х =х, К =K К =К внутреннее сопротивление источника ° ((к, i11(к iф(Ви-1)(!4 кгф)-кзю (миi)(кмм1) Е;12й "м Считая коэффициенты связи между обмотками на крайних стержнях равныК = Кг -" г 2Ъ 2 35 после несложных преобразований полуЗаметим, что такой результат по- 40 лучен с учетом указанных допущений, однако равносильные допущения для известного устройства не приводят к раI венству Z =0. В предлагаемой схеме влияние различных факторов на величину связи мВжду соответствующими обмотками, которая определяет величину внутреннего сопротивления, сведено к минимуму, а для различных экземпляров преобразовательных трансформаторов модули внутренних сопротивлений связаны соотношениями ! l> Е =(6 11) о. Таким образом, предлагаемый преобразователь имеет более жесткую выходную характеристику, что повышает качество выходного напряжения и повышенный коэффициент мощности из-за малой реактивной части внутреннего сопротивления. Коммутационные перенапряжения снижены за счет существова— ния высвобождения реактивной энергии управляющих обмоток по первичной цепи, а силовая часть содержит только две первичные (управляющие) и две вторичные обмотки. Выполнение преобразователя по предлагаемой схеме снижает требования к .монтажу и сборке его силовой части, т.е. преобразователь более технологичен. Применение преобразователя с упомянутыми улучшенными показателями в установках вакуумной плавки дорогостоящюс и тугоплавких металлов, использующихся в важных отраслях народного хозяйства, позволит повысить производительность этих установок за счет увеличения слива. Кроме того, повышается качество слитков за счет поддержания технологического режима при электромагнитном перемешивании металлического расплава. 1 1 52()75 Фиг.1 1152075 Ек фас 2 Составитель Г.Мыцык Техред Л.Микеш Корректор С.Шекмар Ъв Редактор И.Дербак Филиал ППП "Патент", г,ужгород, ул.Проектная, 4 Заказ 2339/43 Тираж 646 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
