Трехфазно- @ -фазный трансформаторно-полупроводниковый преобразователь частоты

 

Изобретение относится к области преобразовательной техники, а именно к преобразователям переменного напряжения одной частоты в напряже K } J6 . .r/ /4 - -г± :: :::ЙЬпЙ: ZiLiiEtnEr -Of-t-W-Ы-т-снL-tt-r-bH ; ,,pnnrx I ejuTWX 20 23 fuz.l e , ../му iiyw/1 jiKtAj iioaij IJ lEltlJ 25 ние другой, и может быть использовано в автоматике для питания частотно-управляемых электроприводов, в автономных энергоустановках с переменной частотой вращения вала привода генератора для получения стабильной частоты, а также для питания линейных двигателей или установок электромагнитного перемешивания жчд ких металлов. Цель изобретения улучшение качества выходного напряжения и входного тока за счет уменьшения их коэффициента гармоник, а также повьшение надежности за счет уменьшения напряжения на его полупроводниковых элементах. Преобразователь содержит трехфазный трансферf/f ,/3 //rj fff § (Л fS 26

СОЮЗ СО8ЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

RO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3216426/24-07 (22) 12.12.80 (46) 07.11.87.Бюл. И - 41 (71) Московский энергетический институт (72) Г.С.Мыцык (53) 621.314.58 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 515222, кл. Н 02 М 5/257, 1970. (54) ТРЕХФАЗНО-m-ФАЗНЫИ ТРАНСФОРМАТОРНО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ (57) Изобретение относится к области преобразовательной техники, а именно к преобразователям переменного напряжения одной частоты в напряже(51) 4 Н 02 М 7/515 5/27 ние другой, и может быть использовано в автомат псе для питания частотно-управляемых электроприводов, в автономных энергоустановках с переменной частотой вращения вала привода генератора для получения стабильной частоты, а также для питания линейных двигателей или установок электромагнитного перемешивания жидких металлов. Цель изобретения— улучшение качества выходного напряжения и входного тока за счет уменьшения их коэффициента гармоник, а также повышение надежности за счет уменьшения напряжения на его полупроводниковых элементах. Преобразователь содержит трехфазный трансфор13 матор 1 с двумя основными комплектами 2,3 вторичных трехфазных обмоток.

Комплекты 2,3 подключены одними концами к входам двух основных трехфазных вентнльных мостов 12, 13 с управляемыми ключами 17,18 на их выходах, с другого выхода основные комплекты 2, 3 соединены между собою разноименными по полярности выводами соседних фаз обмоток. Устройство снабжено двумя дополнительными комплектами 4,5 вторичных трехфазных обмоток и двумя дополнительными трех-фазными вентильными мостами 14, 15 о. управляемыми ключами 16, 19 на их выходах. Вторичные трехфазные обмотки каждого дополнительного комплекта 4 (5) соединены с отпайками

6-8 (9-11) трехфазных обмоток основных комплектов 2 (3) разноименными

50799 концами по схеме "зигзаг". Другие концы трехфазных обмоток каждого из дополнительных комплектов 4 (Я под- ключены к входам одного из дополнительных вентильных мостов 14, (15) . В одной из модификаций вторичные обмотки основных комплектов 2,3 соединены между собою пофазно, а в другой — по схеме, приведенной вышее.

Для тиристорного варианта реализации имеет место схема с блоком принудительной коммутации и одним коммутирующим конденсатором. Устройство также содержит распределительные тиристоры и разделительные вентили.

Блок управления включает в себя задающий генератор, двенадцатиканальный распределитель импульсов, логические узлы и узлы гальванической развязки и усиления,, 1 з.п, ф-лы,7 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к .преобразователям переменного напряжения одной частоты в напряжение другой частоты, и может быть исполь- 5 зовано в автоматике для питания частотно-управляемых электроприводов, в автономных энергоустановках с переменной частотой вращения вала привода генератора для получения

10 стабильной частоты, а также для питания линейных двигателей или установок электромагнитного перемешивания жидких металлов.

Целью изобретения является улучшение качества выходного напряжения и входного тока за счет уменьшения нх коэффициента гармоник, а также повышение надежности за счет уменьше20 ния напряжения на его полупроводниковых элементах.

На фиг.l.приведена принципиальная схема преобразователя частоты (ПЧ) с трехфазным выходом (m-3); на фиг.2 — временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя; на фиг.3 — векторные диаграммы, поясняющие процесс формирования выходного напряжения преобразователя, выполненного по фиг.l; на фиг.4 — в структурном виде модификация преобразователя; на фиг.5 — варианты выполнения блока принудительной коммутации тиристоров, установленных на выходе вентильных мостов в качестве управляемых ключей; на фиг. фиг.6 — пример выполнения блока управления преобразователем; на фиг.7 — временные диаграммы напряжений, поясняющие работу блока управления.

Преобразователь (фиг.l) содержит трехфазный трансформатор 1 с двумя основными 2,3 и двумя дополнительными 4,5 комплектами вторичных трехфазных обмоток, причем обмотки основных комплектов 2,3 выполнены с отпайками 6-11, которые соединены с соответствующими обмот-. ками дополнительных комплектов 4 и 5 по схеме "зигзаг", а соответствующие концы обмоток основных и дополнительных комплектов подключены к входам основных 12,13 и дополнительных 14,15 трехфазных вентильных мостов на диодах, на выходах которых включены управляемые ключи 16-19.

Преобразователь содержит также три группы управляемых ключей 20-22 с двусторонней проводимостью, через

1350799

5

/ < м/

50 которые точки соединения разноименных концов обмоток основных комплек тов 2 и 3 связаны с выходными клеммами ?3-25 преобразователя.

Число витков обмоток дополнительных комплектов 4 и 5 должно быть в

-<13 раз меньше числа витков обмоток основных комплектов 2 и 3, а отпайки 6-11 должны делить обмотки основных комплектов 2 и 3 на части, отношение меньшей к большей которых равно 13 -1, причем большая часть этих витков должна быть равна числу витков обмоток дополнительных комплектов 4 и 5.

При необходимости получения от преобразователя фазного напряжения нулевая точка в виде клеммы 26 может быть образована объединением точек соединения диодов каждой из дополнительно введенных пар, включенных на выходах трехфазных вентильных мостов 12-15.

Схема (фиг:1) может быть упроще . на путем исключения одной из групп ключей, например группы управляемых ключей 22. Третий выходной вывод ПЧ при этом образуется клеммой 26.

Величина выходного напряжения (при тех же числах витков обмоток трансформатора и при том же питающем напряжении) в этом случае снижается в 3 раз.

Алгоритмы переключения ключей преобразователя для двух его модификаций (фиг.l и 4) поясняются фиг.2 и 3. Для удобства описания работы преобразователя управляемые ключи

16-19 и 20-22 обозначены также буквами с цифровыми инцексами, характеризующими порядок их переключения—

Kl Ê13. В результате переключения ключей KI и КЗ на силовые входы ключей 20-22 групп подается одна нестифазная система напряжений а,а,в,в, с,с, а в результате переключения ключей К2,К4 — другая шестифазная система напряжений са,ас,св,вс,ав, ва, сдвинутая относительно первой на угол Т /6 (фиг.3). Попеременное подключение к.выходным клеммам 2325 с помощью ключей Kl-К4 и К5-К13 напряжений из этих двух шестифазных систем позволяет сформировать трех фазное выходное напряжение с эквивалентной фазностью ш<, = 12. На временных (фиг.2а) и векторных (фиг.3) диаграммах фазы эквивалентной 12фазной системы напряжений, пз которой формируются выходные напряже— ния для упрощения обозначены цифрами "1"-"12". На фиг.2а показано формирование лишь одного выходного фазного напряжения U (между клеммами

23 и 26).

Алгоритмы переключения ключей

К5-К!3 на (фиг.2в) соответствуют первой модификации ПЧ (фиг.l), а на фиг.2г — второй его модификации (фиг.4). ПЧ (фиг.4). отличается иным соединением обмоток основных комплектов 2 и 3: обмотки соединены разноименными концами пофазно, а не по схеме "зигзаг". Число переключений ключей К5-K13 во второй модификации вдвое меньше, чем в первой. Это достигается увеличением напряжения на ключах Kl, КЗ в 12 раз. Алго-. ритм переключения ключей Kl К4 (фиг.2б) является общим для двух модификаций ПЧ.

Частота основной гармоники выходного напряжения равна где F — частота напряжения сети (Т< — период);

F - частота модуляции (҄— ее период); а частоты высших гармоник в нем определяются выражением

Г< + (12 К+ l) Учитывая, что к ключам Kl-Ê4 прикладывается существенно большее напряжение, чем к ключам К5-К13, в

Ряде случаев применения может оказаться целесообразным реализовать их на тиристорах. С учетом этого (фиг.5) приведены примеры реализации этих ключей, различающиеся между собой выполнением блоков 27-30 принудительной коммутации тиристоров .

Блок принудительной коммутации (БК) содержит (фиг.5а) обмотки 31—

34 индуктивности, выполненные на. общем магнитопроводе 35,а также ком-. мутирующие конденсаторы 36-39.

Эта наиболее простая схема БК (фиг. 5а,в ) обеспечивает самокоммутацию тиристоров: включение очередного тиристора автоматически влечет за собой запирание ранее открытого тиристора.

40

5 13507

На фиг,56 показан БК с уменьшенным числом коммутирующих конденсаторов 40 до одного. Это достигается введением распределительных ти5 ристоров 41-44 и разделительных вентилей 45-48. Для запирания требуемого тиристора отпирают соответствующий распределительный тиристор.

Для повышения частотных свойств БК его коммутирующий конденсатор 40 шунтирован двумя цепочками из последовательно соединенных перезарядных тиристоров 49 и 50 и переэарядных обмоток 51 и 52 индуктивностей, которые могут выполняться на отдельном магнитопроводе или магнитосвязанными с обмотками 31-34 индуктивностей (фиг.56).

БК работает следующим образом 20 (фиг.56) .

Пусть коммутирующий конденсатор

40 заряжен с полярностью, показанной без скобок. Для запирания, например, тиристора блока 27 принудительной коммутации отпирают распределительный тиристор 41. Через его разделительный вентиль 45 к запираемому тиристору блока 27 прикладывают обратное напряжение ° По истечении вре- 30 мени, необходимого для эапирания тиристора блока 27, отпирают перезарядный тиристор 49 и коммутирующий конденсатор 40 форсированно перезаряжается через тиристор 49 и перезарядную обмотку 51 индуктивности до напряжения обратной полярности, показанной в скобках. Если схема БК по фиг.5а безразлична к порядку включения тиристоров блоков 27-30, то для схемы БК на фиг.56 этот порядок имеет принципиальное значение. Так, при четырех трехфазных вентильных мостах 12-15 фиг.56 в момент отпирания распределительно- 45 го тиристора 41 должен включаться или тиристор блока 28 дополнительного вентильного моста 15, или тиристор блока 30 моста 1. Далее процессы запирания тиристоров осуществляют аналогичным образом.

Распределительные тиристоры 4144 запираются естественньк путем .. после спадания до нуля протекающего через них перезарядного тока. В описанном БК каждый перезаряд конденсатора используется полезно, т.е. для запирания тиристоров блоков

27-30 принудительной коммутации.

99

БК на фиг.5в помимо обмоток 3134 индуктивностей (фиг.5a) содержит восемь коммутирующих конденсаторов 53-60. В отличие от схемы БК по фиг.5а в данном БК магнитная связь между обмотками 31-34 не является принципиально необходимой. БК обеспечивает самокоммутацию тиристоров блоков 27-30.

БК по фиг.5r так же, как и БК по фиг.56, содержит распределительные тиристоры 41-44 и разделительные вентили 45-48. Однако организованы они по иному: аноды распределительных тиристоров объединены клеммой 61, катоды разделительных вентилей — клеммой 62,а между этими-клеммами включен источник запирающего напряжения, три возможных варианта которого (I,II,III) приведены на фиг.5ã. Этот вариант БК безразличен к порядку включения тиристоров блоков 27-30. Источник запирающего нап— ряжения в варианте I выполнен в виде моста на тиристорах 63-66 с коммутирующим конденсатором 67 в диагонали переменного тока и с форсирующей переэарядной цепочкой, состоящей иэ обмотки 68 индуктивнос. ти и тиристора 69. Диагонально расположенные тиристоры 63, 64 и 65, 66 включают попеременно в зависимости от знака напряжения на конденсаторе

67, а тиристор 69 — после выдержки времени, необходимого для восстановления запирающих свойств запираемого тиристора.

Источник запирающего напряжения в варианте II содержит коммутирующий конденсатор 67 и переэарядно-форсирующую цепочку иэ обмотки 68 индуктивности и двух тиристоров 69 и 70.

В этом варианте полезно используется заряд конденсатора лишь с полярностью напряжения, показанной без скобок. Тиристор 69 выполняет функции форсировки, а тиристор 70 используют для восстановления на конденсаторе 67 напряжения необходимой полярности для запирания тиристоров блоков 27-30.

Для повышения частотных свойств источника запирающего напряжения такого типа может быть использован вариант III. Он отличаетсЯ тем, что вместо одного используется несколько коммутирующих конденсаторов, одна из обкладок каждого из которых

8 а+с+Г +h

1350799

U в вг

11 вэ

e+g+1+p

b+ d+k+n для ПЧ по фиг. l, а+Ь+ g+h

8 для ПЧ по фиг.4. с+ d+k+ 1

e+t + и+р

U8>

U7 =a+e+k;

U =Ь+ +1

77

7В подключена к одной из клемм 61 или

62 через встречно-параллельно включенные тиристор и диод, например

71 и 72 — для одной такой ветви с конденсатором 67. Для запирания одного из блоков 27-30 тиристоров включают соответствующий распределительный тиристор 41-44 и тиристор (например,71) соответствующей ветви с коммутирующим конденсатором.

Управление форсирующими и перезарядными тиристорами (например, 69 и 70) осуществляют аналогично источнику запирающего напряжения в варианте

11, Коммутирующие конденсаторы ветвей подключают попеременно в очередной последовательности, благодаря чему рабочая частота конденсаторов снижается обратно пропорционально числу ветвей.

Блок управления преобразователем (фиг.б) содержит задающий генератор

73, 12-канальный распределитель 74 импульсов, первый логический узел

75, содержащий четыре логических элемента 3 ИЛИ 76-79, второй логический узел 80, содержащий три логических элемента 4 HJIH 81-83, а также узел 84 гальванической развязки и усиления управляющих сигналов.

Для описания связей между распределителем 74 импульсов и узлами 75 и 80 воспользуемся языком Булевой алгебры. Обозначим выходные импульсы каналов распределителя 74 символами а,Ь,с,d е,,f g h k,1,п р (фиг.б и 7).

Первый логический узел 75 обеспечивает формирование импульсов для управления ключами Кl -К4 ПЧ (в обоих его модификациях на фиг. l и 4) . Снимаемые с выхода логических элементов 76-79 импульсы описываются следующими логическими выражениями (фиг. 7б):

117е «1+ 17 + P

Второй логический узел 80 обеспечивает формирование импульсов для управления ключами m групп ПЧ.

Сигналы на выходе логических элементов 81-83 определяются следующими логическими выражениями (фиг.ба,б):

На уровне логических узлов формируют лишь три последовательности импульсов для управления ключами

К5-К13 а необходимое их тиражирование осуществляют в узле 84 (фиг.7), Регулирование величины входного напряжения в ПЧ может бьггь осуществлено известными способами, например путем введения пауз между переключениями ключей К5-KIÇ и замыкания в момент пауз ключей, подсоединенных к одному и тому же входному выводу, например, ключей K5,Ê9, К13 (или

25 К6,К10,К11, или К7, К8, К12).

Преобразователь благодаря введению в него двух дополнительных групп переключателей (на основе диодных мостов с ключами) и двух дополнительных комплектов обмоток (с числом витков, в 3 раз меньшим числа витков обмоток основных комплектов) поз- воляет вдвое уменьшить величину искажений входного тока выходного напряжения и значительно уменьшить ампли-туду и повысить частоту высших гармоник .

Преобразователь может быть реализован на основе транзисторно-диодной (для мощностей до единиц и десятков киловольт-ампер) или тиристорно-диодной (для больших мощностей) элементных баз, Может эффективно использоваться и комбинированный вариант .

45 исполнения: высоковольтная часть ПЧ на тиристорно-диодной, а низковольтная часть — на транзисторно-диодной элементной базе. Преобразователь поз-. воляет повысить выходной коэффици5п ент мощности, снизить потери в нагрузке и относительные потери на коммутацию тиристоров, расширить диапазон выходных частот.

55Фо рмула из об рет ения

l.Òðåõôàçíî-ш-фаэный трансформаторно-полупроводниковый преобразователь частоты, содержащий трехфазный

1350799

4 а) «, «2

«г

«g

«yI, «P, «P

«g, «IP,«P

«„.,«,,«, h;p«p, (p г1 «a " «ю

«„.«уа,«7 трансформатор с двумя основными комплектами вторичных трехфазных обмоток, которые одними своими разноименными по полярности концами подключены к входам основных трехфазных вентильных мостов с цепочками из последовательно включенных обмоток индуктивности и тиристора мостов на выходе, а другими разноименными концами соединены между собой и подключены через m групп управляемых ключей с двухсторонней проводимостью к его выходным клеммам, а также блок коммутации, выполненный в виде коммутирующего конденсатора, обкладки которого зашунтированы перезарядной цепочкой и через два разделительных вентиля и два распределительных тиристоря подключе-. ны соответственно к анодам и катодам тиристоров мостов, а блок управления выполнен в виде связанных между собой задающего генератора, распределителя импульсов и узла гальванической развязки и усиления, о т л и-ч а ю шийся тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения и входного тока за. счет уменьшения их коэффициента гармоник, он снабжен двумя дополнительными комп-.лектами вторичных трехфазных обмоток и двумя дополнительными трехфазными вентильными мостами, выполненными идентично основным, причем к входам этих мостов одними разноименными по полярности выводами подключены обмотки соответственно первого и второго дополнительных комплектов, вторичные трехфазные обмотки двух основных комплектов снабжены отпайками, которые соединены с другими соответствующими по полярности концами обмоток дополнительных комплектов по схеме "зигзаг", блок коммутации снабжен двумя дополнительными

5 разделительными вентилями и двумя дополнительными распределительными тиристорами, через которые обкладки коммутирующего конденсатора подключены соответственно к анодам и катодам тиристоров двух дополнительных мостов, распределитель импульсов выполнен 12-канальным, à его выходы связаны с входами узла гальванической развязки и усиления через четыре логических элемента 3 ИЛИ и три логических элемента 4 ИЛИ, входы каждого из четырех логических элементов 3 ИЛИ подключены к i-му, 2д (i+4)-у, (i+8)-f выходам распредели теля, где i = 1,2,3,4 соответственно, для первого, второго, третьего и четвертого этих логических элементов, причем выходы —.:оследних связаны

25 с соответствующими управляемыми ключами, установленными на выходе вентильных мостов .

2. Преобразователь частоты по: и l, отличающийся тем, 3D что, с целью повышения надежности за счет уменьшения напряжений íà его полупроводниковых элементах, разноименные концы двух основных комплекТоВ вторичных трехфазных обмоток сое35 динены между собой разноименными фазами, а входы каждого из трех логических элементов 4 ИЛИ подключены к j -му, (j+2)-му, (1+5)-му,(j+ 7)-му выходам распределителя, где j

1,4,2 соответственно для первого, второго и третьего этих логических элементов.

1350799

c(j) cl(p) (O/Óñ (5/ аг а8 р, „б (4

Гд) 25

135О 99

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

Иу

Уу и, Уу

Состав итегп Н. Дьякова

Редактор И. Николайчук Техред И. Попович

Заказ 5295/55 1ираж ()59

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытыми

113035, Москва, 3-35, Раушская наб., д.4f5

Корректор С.Шекмар

Подписное