Преобразователь формы напряжения

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в установках индукционного нагрева и электроприводе. Целью изобретения является максимальное приближение формы выходного напряжения к заданной. Преобразователь содержит трансформатор 4 с секционированной вторичной обмоткой, отводы 3, 7, 10 .которой соединены соответственно-с тиристорами (Т) 1, 2, 5, 6, 8, 9, Т 1, 2, 5, 6, 8, 9 соединены попарно встречно-параллельно. Между парами Т 1, 2 и Т 5, 6, а также Т 5, 6 и Т 8, 9 включены реакторы 11, 12 с индуктивностями соответственно Lj и . L. Секции обмотки между отводами 3, 7 и 7, 10 выполнены с числами витков U ,W J . Отношение чисел витков соседних секций обмотки равно отношению индуктивностей смежных с ними реакто§ ров, T.e.Wi/Ulj L. . Такое под (Л ключение реакторов 11, 12 обеспечивает работу преобразователя при формировании периодического несинусоидального напряжения с минимальным изменением параметров цепи тока нагрузки. 4 ил., 2 табл. ю О5 СЛ со 42 N9

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

5942 А1

Ид> 111) (511 4 H 02 M 5/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1 @ Ы ."::;. г.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ н двтоесном свидяткпьствм (21) 3780946/24-07 (22) 02.07.84 (46) 23,10.86. Бюл. М- 39 (71) Магнитогорский горно-металлургический институт им. Г.И.Носова (72) Н.ВеДолматов (53) 621.314.27 (088.8) (56) Мэрфи Дж. Тиристорное управление двигателями переменного тока. — M.:

Энергия, 1979.

Гельман М.В., Лахов С.П. Тиристорные регуляторы переменного напряжения. — М.: Энергия, 1975, с. 11, рис. 4в. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЪ ФОРМЫ НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к преобразовательной технике и может1быть использовано в установках индукционного нагрева и электроприводе. Целью изобретения является максимальное приближение формы выходного напряжения к заданной. Преобразователь содержит трансформатор 4 с секционированной вторичной обмоткой, отводы 3, 7; 10 которой соединены соответственно с тиристорами (Т) 1, 2, 5, 6, 8, 9.

Т 1, 2, 5, б, 8, 9 соединены попарно встречно-параллельно. Между парами

Т 1, 2 и Т 5, 6, а также Т 5, б и

Т 8, 9 включены реакторы 11, 12 с индуктивностями соответственно 1., и

Секции обмотки между отводами 3, 7 и 7, 10 выполнены с числами витков (,.1,14 . Отношение чисел витков соседку них секций обмотки равно отношению индуктивностей смежных с ними реакто- а

1 г .CO ров, т.е. 1/г/СЗг г/сг . Такое подключение реакторов 11, 12 обеспечивает работу преобразователя при формировании периодического несинусондального напряжения с минимальным изменением параметров цепи тока нагрузки.

4 ил., 2 табл.

1265942

5 ° ния импульсов управления этими тирисИзобретение относится к преобразо вательной технике и может быть использовано в установках индукционного нагрева и электроприводе.

Целью изобретения является максимальное приближение формы выходного напряжения к заданной.

На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема преобразователя формы напряжения, на фиг.2 — графики двух периодических функций напряжения Б, (t) и Uz (t); на фиг.3 — способы подключения нагрузки преобразователя, на фиг.4 — временные диаграммы напряжения и тока преобразователя и нагрузки с учетом коммутации тока нагрузки с одного тиристора на другой.

Преобразователь содержит тиристоры

1 и 2 (фиг.1) первого отвода 3 вторичной обмотки трансформатора 4, тиристоры 5 и б второго 7 и тиристоры 8 и

9 третьего 10 отводов трансформатора

4, реакторы 11 и 12, выходные выводы

13 преобразователя и блок 14 управления.

На временных диаграммах (фиг.2) периодическая функция напряжения

U (t) показана сплошной линией, а

U (й) — штрихпунктирной линией. Первый график U, (t) изображает периодическую функцию заданного спектра рабочих гармоник, полученную в результате сложения трех синусоидальных

Функций напряжения с частотами ы,, 4v, 7ы, и амплитудами, возрастающими с увеличением частоты по линейному закону, U, (t) = U, sin&„ t + U sin4 t +

+ U ;ssinn7v,t, где U,„ — амплитуда напряжения .К-й, гармоники, >, — угловая частота основной гармоники, >, — угловая частота К-й гармоники.

Дто>ой график Ц (t) пРедставлЯет периодическую функцию аппроксимации, полученную из полуволн синусоидального напряжения разного уровня амплитуд, которыми аппроксимируется функция U,(t) . При выборе уровней полуволн их число определяется из условия получения напряжения Ц (t), в спектре которого основной вес имеют гармоники заданного спектра U,() ° Количество полуволн аппроксимации определяется

Формулой функции U,(t).

f5

2D

На фиг ° 2 показаны также напряжения полуволн синусоид трех уровней, коммутируемые тиристорами 1, 2, 5, 6, 8 и 9, и временные диаграммы следоваторами и приняты следующие обозначения: Т вЂ” период заданной V,(1.) и апйроксимирующей П,(t) функций, состоящий иэ 14 равных полупериоду синусоидального напряжения отрезков -времени, U, U» U, U ä — положительные и отрицательные полуволны напряжения первого отвода 3 трансформатора 4, коммутируемые тиристорами 1 и

2, и напряжения их импульсов управления, подаваемые от блока 14 управлет3 46 U> U>á у5 ные и отрицательные полуволны напряжения второго отвода 7 трансформатора 4, коммутируемые тиристорами 5 и

6, и напряжения их импульсов управления, подаваемые от блока 14 управленияф U ф U ф Uó ф U положи» т тельные и отрицательные полуволны напряжения третьего отвода 10 трансфор-, матора 4, коммутируемые тиристорами

8 и 9, и напряжения их импульсов управления, подаваемые от блока 14 управления.

На Фиг.4 приняты следующие обозначения: Б (t) — напряжение аппроксимирующей функции, U (t) — напряжение, при котором через преобразователь течет ток нагрузки, UÄ (t) — напряжение на нагрузке (фиг.3) при разряде конденсатора и токе преобразователя

i(t) = 0; U„ (t) — напряжение на нагрузке с учетом интервалов коммутации; U„(t) — ток приемника энергии (Фиг.3); i (t) — ток через емкость нагрузки; i (t) — ток нагрузки преобразователя, L — угол управления тиристором 8 (фиг. 1), — 3 + Ьz управления тиристором 2 (фиг.1), — угол проводимости тиристора 8 (Фиг.1); - > + pz — угол проводимости тиристора 2 (фиг.1).

Устройство работает следующим образом.

При подаче синусоидального напряжения на первичную обмотку трансформатора 4, на отводах 3, 7 л 10 вторичной обмотки появляется синусоидальное напряжение разного уровня.

Это состояние схемы является исход- ным. Напряжение на выходные выводы 13 преобразователя не подается, так как все тиристоры 1, 2, 5, 6, 8 и 9 за942

1265

Таблица 1

Включаемый тирис8 2 1 2 8 тор

3 крыты. Формирование периодического несинусоидального напряжения U,(t) начинается с поступления от блока управления напряжения импульса управления U к управляющему выводу тиУ6 ристора 8 (фиг.1 и 2), последний открывается, и напряжение положительной полуволны U» появляется на выходе 13 преобразователя, Ток протекает по цепи: тиристор 8, выходные выводы 10

13 преобразователя, к которым подключена нагрузка, вторичная обмотка трансформатора 4, Длительность протекания тока определяется характером нагрузки. Преобразователь предназна- 15 чен для работы с активной или активно-емкостной нагрузкой, при совпадающем или опережающем по фазе током по отношению к напряжению на выходе преобразователя U (t). 2D

При активной нагрузке длительность протекания тока через преобразователь равна полупериоду синусоидального напряжения, а при активно-емкостной ток прекращается раньше, чем спадает до 25

Номер интервала t, 1 2 3 4 5

За один период формирования несинусоидального напряжения Uz (t) проис-35 ходит 14 переключений тиристоров. В восьми случаях при переключениях ме няются параметры силовой цепи преобразователя, так как меняется сопротивление вторичной обмотки трансфор- 40 матора 4. При этом заметными становятся постоянные изменения угла сдвига по фазе между током и напряжением, которые отрицательно влияют при при-. нятом способе коммутации на заданный 45 гармонический состав рабочего напряжения выхода преобразователя.

Параметры при работе преобразователя для максимального приближения формы выходного напряжения к заданной50 должны примерно оставаться постоянными. Так как активное сопротивление трансформатора 4 значительно меньше индуктивного, то его влияние можно не учитывать. Для уменьшения диапазона изменения параметров преобразователя между выходами попарно встречно включенных тиристоров 1, 2, 5, 6, 8 и 9 нуля мгновенное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора

4. Для подачи напряжения к потребителю по форме, близкой к заданной, необходимо, чтобы включенйе тиристоров

1, 2, 5, 6, 8 и 9 и их выключение происходило при значении напряжения, соответствующем току, близкому к току удержания тиристоров. Последнее достигается эа счет компенсации емкостным током реактивно индуктивного тока приемника энергии. Формирование напряжения Ц (t) на втором интервале начинается с приходом напряжения импульса управления U на тиристор 2, который открывается при значении напряжения на нем, превьппающем напряжение на конденсаторе (фиг.3 и 4), и находится во включенном состоянии до момента, пока ток в цепи не спадет до нуля. Очередность включения тиристоров 1, 2, 5, 6, 9 и 8 при,формировании одного периода несинусоидального периодического напряжения Uz(t) (фиг.2) приведена в табл. 1.

6 7 8 9 10 1 1 12 13 14

6 1 2 5 9 1 2 1 9 включены токоограничивающие реакторы

11 и 12, каждый из которых выбран с индуктивностью соответственно L и ! пропорциональной числу витков ц и о между соседними к нему отводами вторичной обмотки трансфорл1атора 4, а отношение числа витков соседних секций трансформатора, начиная с второй, равно отношению индуктивностей смежных с ними реакторов, т.е.

t< T.ã

1 а Ьз

Такое подключение реакторов 11 и

12 обеспечивает работу преобразователя при формировании напряжения П (й) г с минимальным . злбенениеи параметров цепи тока нагр зки. При комл,тации напряжения первого отвода ."- вторичной обмотки трансформатора 4,; цепь тока. нагрузки включены последов;.ельно индуктивности 1,, и Ц соотв гственно реакторов 11 и 12 и индук чтпость Ь

4 первой секции трансформато, а : числом

1265942 витков М,, при этом индуктивность преобразователя равна

1,п — Ь + 1,г + Ьз. 5

При включении второго отвода 7 включены в работу первая и вторая с числом витков И и индуктивносью Ь секции вторичной обмотки трансформатора 4 и последовательно с ними ин- 10 дуктинность L> реактора 12, при этом индуктивность преобразователя равна

L„ = L, + Lq + L .

При включении напряжения, всей вторичной обмотки трансформатора включены в работу первая„ вторая и третья с числом витков M и индуктивностью секции вторичной обмотки трансфор" 20 матора 4, индуктивность преобразователя при этом равна и 1 1 Lg 1 3 °

Для исключения больших искажений 25 формы напряжения U, (t) от заданной

1 индуктивность первого реактора L выбирается меньше или равной индуктивности L второй секции трансформатора 4, а индуктивность второго реакто-30 ра определяется из приведенного соотношения

И

I з г

При таком выборе индуктивностей З5 реакторов 11 и 12 параметры преобразователя изменяются значительно меньше, чем в известном устройстне, и, следовательно, меньше искажение напряжения П,(t). На форму напряжения 40

U (t) оказывают влияние искажения, вызванные процессом коммутации тиристоров 1, 2, 5, 6, 8 и 9. Емкость

С, включенная параллельно приемнику (фиг.3), выполняет дне функции: обе- 45 спечивает опережающий напряжение ток и тем самым запирание тиристоров 1, 2, 5, 6, 8 и 9 в момент спадания тока тиристорон до нуля, а также во время коммутации тиристоров поддерживает 50 за счет накопленной энергии электрического поля конденсатора С ток приемника. Следовательно, коммутационных провалов напряжения на приемнике не может быть. Однако от выбора величины емкости конденсатора С (фиг.3) зависит длительность паузы закрытого состояния тиристоров 1, 2, 5, 6, 8 и

9. В течение этой паузы характер изменения напряжения на нагрузке отличается от напряжения U () (фиг.4) и определяется параметрами цепи R Ь, С разряда конденсатора и остаточным напряжением на конденсаторе С. На фиг.4 показан перевод тока нагрузки с тиристора 2 на тиристор 8 (фиг.1). До момента времени, соответствующего углу — Ji + p (фиг.4), ток нагрузки проводит тиристор 2. В момент прекращения тока преобразователя i(t) = О. Конденсатор оказывается заряженным до напряжения U (t) = U (t). С этого момента начинается процесс разряда конденсатора на цепь К, L, U, который продолжается до момента времени, соответствующего углу управления L

При этом угле управления напряжение на тиристоре 8 становится больше напряжения конденсатора. Тиристор 8 открывается, и через преобразователь вновь протекает ток нагрузки. Как следует из временных диаграмм (фиг.4), напряжение на нагрузке (приемнике) равно в периоды пропускания тока преобразователя U, (t), а в период коммутации U (t) . Напряжение на нагрузке

U„(R (приемника) равно их сумме

U„(t) =U,() +U.,() °

Из анализа временных диаграмм следует, что чем ближе напряжение U (t) по форме к синусоиде тем тлчнее кривая напряжения на нагрузке совпадает с напряжением U (t) Таким образом, величиной емкости С (AHr.3) можно практически свести интервал коммута-. ции тиристоров к незначительной величине и исключить искажения напряжения

П,(t) (фиг.2) процессом, вызванным временем разряда конденсатора, В табл. 2 приведено численное сравнение спектров заданной функции

U,(t) и аппроксимированной Uz(t) (фиг.2) до седьмой-гармоники включительно.

1265942

Т а б л и ц а 2

5 6

Номер гармоники

Частота гармоники, С 44,88 89,76 134,64 179,42 224,4 269,28 314,16

Амплитуды гармоники заданного спектра, В 59,8 0

0 191

0 325

Амплитуды гармоники аппроксимирующей функции, В

58,4 17

13,5 187 16, 2 10, 7 325

Из сравнения гармонического соста- 5 ва функций V, (С) и u,(e) следует, что амплитуды заданной и амплитуды тех же частот аппроксимирующей функции рабочих гармоник, полученной в предлагаемом устройс,гве, практически совпадают.

Применение предлагаемого преобразователя в устройствах индуктивного нагрева позволит увеличить интенсивность нагрева заготовок, а в устройствах электропривода — увеличить вращающий момент индукционных вращателей, что значительно повышает произ водительность указанных устройств °

Формула изобретения

Преобразователь формы напряжения, содержащий однофазный трансформатор, вторичная обмотка которого уыполнена секционированной, с числами витков! первой секции И,, второй W,è третьей

М„ причем между первым концом обмотки, заканчивающейся секцией W, и ее отводами через встречно-параллельно соединенные тиристоры подключены реакторы с индуктивностями L и 1 соответственно, а выходные выводы преобразователя образованы вторым концом обмотки, заканчивающейся секцией 14,, и точкой соединения реактора с индуктивностью Ь,, и пары тиристоров, противоположные электроды которых подсоединены к указанному первому концу обмотки, а также блок управления тиристорами, о т л и ч а io шийся тем, что, с целью максимального приближения формы выходного напряжения к заданной, индуктивности реакторов выбирают из соотношения

Ц, Ь, 1 з

1265942

1265942

Рир 4

Составитель Г.Мыцык

Техред А. Кравчук Корректор JI. Патай

Редактор О.Юрковецкая

Заказ 5678/55

Тираж 631 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4