Преобразователь однофазного напряжения в регулируемое трехфазное

 

Изобретение относится к полупроводниковой преобразовательной технике и может быть использовано в трехфазных электроприводах переменного тока с питанием от однофазной сети. Цель изобретения - повышение энергетических показателей преобразователя и расширение области его применения . Энергетические показатели повышаются за счет увеличения выходного напряжения при одновременном снижении уровня высших гармонических составляющих . Ток в активно-индуктивной нагрузке непрерывен во всем диапазоне регулирования напряжения и частоты , в случае активной нагрузки ток непрерывен при максимальных значениях выходного напряжения и частоты. Регулируемое трехфазное выходное напряжение формируется в предложенном преобразователе при различных видах нагрузки , включая как вращающиеся электрические машины переменного тока, так и статические нагрузки с различньм характером сопротивления. Силовая часть преобразователя выполнена по мостовой схеме на четьфех транзисторных ключах переменного тока. В одну диагональ моста подключен однофазный источник питания (сеть), а в другуюдве фазы нагрузки, при этом третья фаза соединена с одной из клемм источника питания; Схема управления преобразователем обеспечивает, регулирования выходного трехфазного напряжения и частоты, а также обеспечивает автоматическую силового каскада от аварийных режимов в случае появления ложных импульсов и помех. 4 ил. сл с 4 сл 1C сл

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК п1 4 Н 02 М 7/48

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21 ) 4194902/24-07 (гг) 16.0г ° 87 (46) 07.02.89. Бюп, М - 5

:,(71) Ленинградский институт точной механики и оптики (72) В.И.Хрисанов, А.А.Усольцев °

С.А.Белов и П.С.Епифанов (53) 621,316,727(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 762109, кл. Н 02 М 7/48, 1978.

Авторское свидетельство СССР N - 1328921, кл . Н 02 Р 7/42, 1985. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В РЕГУЛИРУЕМОЕ ТРЕХФАЗНОЕ (57) Изобретение относится к полупро. водниковой преобразовательной технике и может быть использовано в трехфазных электроприводах переменного тока с питанием от однофазной сети.

Цель изобретения — повышение энергетических показателей преобразователя и расширение области его применения. Энергетические показатели повышаются за счет увеличения выходного напряжения при одновременном снижении уровня высших гармонических составляющих. Ток в активно-индуктивной

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропривода с питанием от источника однофазного напряжения (сети).

Цель изобретения — улучшение энергетических показателей преобразователя и одновременное расширение области его применения.

„.80„„1457125 А1 нагрузке непрерывен во всем диапазоне регулирования напряжения и частоты, в случае активной нагрузки ток непрерывен при максимальных значениях выходного напряжения и частоты. Регулируемое трехфазное выходное напряжение формируется в предложенном преобразователе при различных видах нагрузки, включая как вращающиеся электрические машины переменного тока, так и статические нагрузки с различным характером сопротивления. Силовая часть преобразователя выполнена по мостовой схеме на четырех транзисторных ключах переменного тока. В одну диагональ моста подключен однофазный источник питания (сеть), а в другуюдве фазы нагрузки, при этом третья фаза соединена с одной из клемм источника питания. Схема управления преобразователем обеспечивает. регулирования выходного трехфазного напряжения и частоты, а также обеспечивает автоматическую защиту силового каскада от аварийных режимов в случае появления ложных импульсов и помех.

4 ил.

I

На фиг. 1 изображена электрическая

1 схема полупроводникового коммутатора; на фиг. 2 схема управления; на фиг. 3 и 4 — временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя при различных частотах выходного напряжения.

Преобразователь однофаэного напряжения в регулируемое трехфазное по

1457125 фиг. 1 содержит полупроводниковый коммутатор с четырьмя транзисторными ключами 1-4 перемеííîro тока, которые соединены по мостовой схеме. К одной-диагонали моста подключено .однофазное напряжение питания. Управление ключами осуществляется от блока

5 управления. Одна фаза нагрузки, например 6, подключена к одной из 10 клемм напряжения питания, две другие фазы 7 и 8 подключены к второй диагонали моста.

Схема 5 управления по фиг. 2 состоит из задатчика 9 входноro сигнала, индикатора 10 полярности входного сигнала, первого блока фазового сдвига с тремя выходами 11, блока 12 формирования абсолютного значения выходного сигнала, индикатора 13 полярнос- 20 ти напряжения питания, трех блоков

14-16 сравнения, компаратора 17 входного сигнала, преобразователя 18 напряжение — частота, второго блока 19 фазового сдвига, блока 20 частотного управления, содержащего четыре элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 21-24, один двухнходовый элемент И-НЕ 25, три трехнходовых элемента И-НЕ 26-28, при этом входы трех элементов ЭКВИВАЛЕНТ- З0

НОСТЬ 22-24 соединены последовательно между собой по схеме треугольника, вершины которого образуют второй, третий и четвертый входы блока 20 частотного регулирования, первый вход которого образован первым входом элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 21, а пятый и шестой его входы образованы входами двухвходового элемента И-НЕ 25, второй вход элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 21 40 соединен с вторым входом блока 20, выход элемента И-НЕ 25 соединен с первыми входами элементов И-НЕ 26-28, вторые входы которых подсоединены к выходу элемента 21 третьи входы эле- 45 ментов 26-28 соединены с выходами элементов 22-24, выходы элементов

26-28 образуют первый, второй и третий выходы блока частотного регулирования. В блок 5 управления входит б0 блок 29 переключения режимов работы, блок 30 распределения импульсов управления, блок 31 формирования и защиты, содержащий входной трехвходо-. вый элемент И-НЕ 32, четыре двухвходовых элемента И-HE 33-36, выходной трехвходовый элемент И-НЕ 37, трехнходоный элемент И 38, дна днухвходоных элемента И 39 и 40 и пять элементов ИЛИ 41-45, при этом входы четырех элементов И-HE 33-36 соединены последовательно между собой по схеме замкнутого четырехугольника с четырьмя выводами от его вершин, три из которых образуют второй, третий и первый входы блока 31, а четвертый вывод связан с выходом элемента 32, три входа которого соединены с. входами блока 31, входы трех элементов 41-43 соединены между собой последовательно по схеме треугольника, вершины которо. го соединены с тремя входами блока

31, выходы трех элементов 41-43 соединены с входами элемента И 38 и входами элемента И-НЕ 37, выход элемента

38 соединен с первыми входами двух элементов И 39 и 40, вторые входы Ко торых соединены с выходами двух элементов 35 и 36, выход элемента 37 соединен с первыми входами двух элементов ИЛИ 44 и 45, вторые входы которых соединены с выходами двух элементов 33 и 34, выходы с элементов 44 и 45, а также выходы с элементов 39 и 40 образуют четыре выхода блока 31 формирования и защиты.

Блок 5 управления включает в себя также блок 46 гальванической развязки и усиления импульсов управления, блоки связаны между собой таким образом, что входы индикатора 10 полярности входного сигнала и блока 12 формирования абсолютного значения вывходного сигнала объединены между собой и подключены к задатчику 9 входного сигнала, выход индикатора 10 полярности входного сигнала подключен к первому входу блока 30 распределе" ния импульсов управления, выход блока

12 формирования абсолютного значения входного сигнала подключен к первым входам трех блоков 14-16 сравнения, вторые входы которых соединены с выводами блока 11 фазового сдвига, вход блока 11 соединен с входом индикатора 13 полярности напряжения питания и служит для подключения к источнику переменного напряжения, выход индикатора 13 подключен к первому входу блока

20 частотного регулирования,. выходы трех блоков сравнения 14-)6 подключены к первым трем входам блока 29 переключения режимов работы, выходы блоков 14 и 16 сравнения подключены так-. же к пятому и шестому входам блока 20, входы компаратора 17 входного сигнала и преобразователя 18 напряжение1457125 частота объединены между собой и подключены к выходу блока 12 абсолютных значений входного сигнала, выход компаратора 17 входного сигнала подключен к четвертому входу блока 29 переключения режимов работы, выход преобразователя 18 напряжение — частота подключен к входу блока 19 фазового сдвига, три выхода которого подключе- 10 ны к второму, третьему и четвертому входам блока 20 частотного регулирования, первый, второй и третий выходы блока 20 подключены к седьмому, пятому и шестому входам блока 29 пере- 15 ключения режимов работы, первый выход которого подключен к третьему входу блока 31, второй и третий выходы блока 29 соединены с третьим и вторым входами блока 30 распределе- 20 ния импульсов управления, выходы которого подключены к первому и второму входам блока 31, выходы блока 31 через блок 46 гальванической развязки и усиления импульсов управления подключены к управляющим входам транзисторных ключей 3, 1, 4 и 2.

Преобразователь однофазного напряжения в регулируемое трехфазное работает следующим образом. 30

При отсутствии входного сигнала

U =0 на выходе индикатора 10 поляр.. sx ности и на выходе блока 12 формирования абсолютного значения входного сигнала формируется сигнал логическо- З5 го нуля. На выходе компаратора 17 входного сигнала формируется сигнал логической единицы. При этом канал параметрического регулирования (регулирования напряжения при неизмен- 40 ной выходной частоте) закрыт логическими ключами в блоке 29 переключения режимов работы, а канал регулирования частоты и напряжения открыт. На выходах блоков 14-16 сравнения полу- 45 чают три напряжения с коэффициентом заполнения, равным единице. Напряжения с выходов блоков 14 и 16 сравнения поступают на пятый и шестой входы блока 20 частотного управления. 50

Независимо от сигналов на остальных входах данного блока на трех его выходах будут сигналы логических единиц. Аналогичные сигналы будут на выходе блоков 29 и 30. После прохож- 55 дения этих сигналов через блок 31 на выходах элементов ИЛИ 44 и 45 будут сигналы, равные "1", а на выходах элементов И 39 и 40 — сигналы "0".

Эти сигналы обеспечивают включение ключей 1 и 3 и запирание ключей 2 и

4. При уменьшении входного сигнала до нуля фазы 6-8 нагрузки, отключаются от источника литания и замыкаются между собой накоротко, лри этом напряжение на нагрузке равно нулю. В случае индуктивного характера нагрузки замыкание фаз накоротко обеспечивает плавное уменьшение тока нагрузки до нуля без возникновения перенапряжений.

При наличии входного сигнала положительной полярности, превышающего по своей величине пороговое напряжение блока 17 (U „>U«v0, I1mr. 3), на выходе блока 10 формируется сигнал "1", а на выходе блока 17 — сигнал "0".

При,этом канал регулирования частоты закрыт логическими ключами блока 29 переключения режимов работы, а канал параметрического регулирования открыт. В этом случае на первый вход блока 30 распределения импульсов управления постоянно поступает сигнал

"1". На выходах блоков 14-16 формируются три прямоугольных напряжения, имеющих одинаковый коэффициент заполнения и смещенных по фазе в соответстI Il вии с опорными напряжениями U Uä (1!

U„ñîîòâåòñòâåííî на -«/6, -Г/2 и и /6 относительно напряжения питания. В результате работы блока 29 указанные прямоугольные напряжения появляются íà его трех выходах, при ! этом напряжение U поступает на перII (П вый вход блока 31, а 11 и 13 — на второй и третий входы блока 30 распределения импульсов. При наличии сигнала "1" на первом входе блока 30 на его первом выходе будет напряжеИ

1 ние, аналогичное Uz> а на втором— и аналогичное U . В блоке 31 с помощью элементов И-НЕ 32-36 формируются импульсы управления ключами переменного тока, которые при наличии разрешающих импульсов узла защиты проходят через элементы 44, 45, 39 и 40 и поступают через блок 46 гальванической развязки и усиления импульсов управления на управляющие входы соответствующих ключей 3, 1, 4 и 2, Работа ключей в соответствии с полученными импульсами управления обеспечивает формирование трехфазной системы выходных напряжений, значения которых регулируются путем ши! 4571

? ротно-импульсной модуляции однофазного напряжения питания.

Узел защиты, состоящий из девяти элементов (37-45) защищает полупро5 водниковый коммутатор от возникновения режимов сквозного короткого замыкания при появлении ложных сигналов управления. Если два из трех входных напряжений блока 31 оказы- !О ваются одновременно равными "0", то напряжение на выходе 37 равно "1", а на выходе 38 — "0". В результате на выходе 39 и 40 будут сигналы "0", а на выходе 44 и 45 — "!", Ключи 2 и 4 !Б заперты, а 1 и 3 включены, фазы нагрузки отключены от источника питания и замкнуты накоротко между собой.

Выходное напряжение в фазах нагрузки регулируется в диапазоне от нуля 20 до максимального значения, приблизительно равного половине напряжения питания ° В кривой выходного напряже" ния при его максимальном значении отсутствуют интервалы шунтирования, при этом ток нагрузки независимо от ее характера будет всегда непрерывным. Малые пульсации непрерывного тока нагрузки, приближающегося по своей форме к синусоидальному, обеспечи- З0 вает повышение энергетических показателей преобразователя.

При изменении полярности входного сигнала на выходе индикатора 10 полярности входного сигнала формирует- З ся сигнал "0", который, поступая на первый вход блока 30, обеспечивает переключение каналов прохождения импульсов управления ключами полупроводникового коммутатора таким обра- 40 зом, что импульсы, которые поступали на вход ключей 3 и 2, будут поступать на вход ключей 1 и 4 и наоборот.

Это, в свою очередь, изменяет порядок следования фаз выходного напряжения. 45

При уменьшении входного сигнала положительной полярности до значения, меньшего порогового напряжения блока 17, на выходе блоков 10 и 17 фор- БО мируется сигнал "1". В этом случае канал параметрического регулирования заперт логическими ключами блока

29, а канал частотного регулирования открыт. На выходе преобразователя 55

18 напряжение - частота будет напряжение, частота которого пропорциональна абсолютному значению входного сигнала. На выходах блока 19 фазово25 го сдвига имеются три прямоугольных ! И б/ ф напряжения U,z, Ц, и U,>, смещенных по фазе друг относительно друга на угол 2 /3 (фиг. 4), которые поступают на второй, третий и четвертый входы блока 20 частотного регулирования, на первый вход которого поступает информация о знаке напряжения сети в виде напряжения U > . На пятый и шестой входы блока 20 поступают прямоугольные напряжения Б„ и

U« c заданным коэффициентом заполнения, определяющим значение выходного напряжения преобразователя.

С,помощью трех элементов ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 22-24 формируются три прямоугольных напряжения U 2 Ug3 H Ugy по признаку одинаковой полярности модулирующих, напряжений блока 19.

Напряжения 11, П и !З, имеющие длительность в 1/6 периода модулирующих напряжений, определяют соответственно интервалы. работы трех пар ключей

1 и 4, 2 и 4, 2 и 3, формирующих выходное напряжение пониженной часто-. ты. Элемент ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 21 формирует напряжение U определяющее интервалы возможйого включения указанных пар ключей, исходя из условия обязательного совпадения полярностей напряжения питания модулирующего напряжения Б, . Элемент И-НЕ 25 формирует напряжение !3, определяющее ширину импульсов выходного напряжения преобразователя. С целью снижения выходного напряжения при работе преобразователя в зоне пониженных частот, а также для снижения пульсаций мгновенного тока нагрузки использованы только два блока 14 и 16 сравнения.

Выходы элементов 21 и 25 подаются на первые и вторые входы элементов И

26-28, на третьи входы которых поступают напряжения 1-172 !4 и (-!2 На Выходе элементов 26-28 формируются прямоугольные напряжения U26 U u которые после прохождейия блоков

29 и 30 поступают. в блок 31. B блоке

31 с помощью элементов 32-36 формируются импульсы управления ключами 1-4.

В результате работы ключей на выходе преобразователя формируется трехфазная система регулируемых по частоте и по действующему значению напряжений (фиг. 4). В случае появления ложных сигналов управления в преобразователе срабатывает автоматическая защита, отключающая нагрузку от напря1457125

l0 жения питания. При изменении полярности входного сигнала в блоке 30 происходит переключение каналов прохождения импульсов управления ключами, что обеспечивает изменение порядка следования фаз выходного напряжения.

Таким образом, изобретение позволяет преобразовать однофазное напряжение в регулируемое трехфазное напряжение, характеризуемое повышенным действующим значением при максимальном входном сигнале, а также улучшенным гармоническим составом, обеспечивающим снижение пульсаций тока нагрузки.

20

30

55 регулирования содержит четыре элемента ЭХВИВАЛЕНТНОСТЬ, один двухвходовый элемент И-НЕ и три трехвходовых элемента И-НЕ, при этом входы второго, третьего и четвертого элементов ЭКВИФормула изобретения

Преобразователь однофазного напряжения в регулируемое трехфазное, состоящий из полупроводникового коммутатора в виде четырех силовых транзисторных ключей переменного тока и блока управления, содержащего задатчик входного сигнала, индикатор полярности входного сигнала, два блока фазового сдвига с тремя выходами каждый, блок формирования абсолютного значения входного сигнала, индикатор полярности напряжения питания, три блока сравнения, компаратор входного сигнала, преобразователь напря жение — частота, блок частотного регулирования, блок переключения режимов работы, блок распределения импульсов управления, блок формирования и защиты, блок гальванической развязки и усиления импульсов управления, при этом входы индикатора полярности входного сигнала и блока формирования абсолютного значения входного сигнала объединены и соединены с выходом задатчика входного сигнала, выход индикатора полярности входного сигнала соединен с первым входом блока распределения импульсов управления, выход блока формирования абсолютного значения входного сигнала подключен к первым входам трех блоков сравнения, вторые входы которых соединены с выходами первого блока фазового сдвига, вход которого соединен с,входом индикатора полярности напряжения питания и служит дпя подключения к источнику переменного напряжения, выход индикатора полярности напряжения питания подключен к первому входу блока частотного регулирования, выходы трех блоков сравнения подключены к первым трем входам блока переключения режимов работы, входы компаратора входного сигнала и преобразователя напряжение частота объединены и соединены с выходом блока формирования абсолютных значений входного сигнала, выход компаратора входного сигнала подключен к четвертому входу блока переключения режимов работы, выход преобразователя напряжение — частота подключен к входу второго блока Аазового сдвига, три выхода которого подключены к второму, третьему и четвертому входам блока частотного регулирования, пятый вход этого блока подключен к выходу первого блока сравнения, три выхода блока частотного регулирования подключены к пятому, шестому и седьмому входам блока переключения режимов работы, первый выход которого подключен к третьему входу блока формирования и защиты, второй и третий выходы блока переключения режимов работы соединены с третьим и вторым входами блока распределения импульсов управления, выходы которого подключены к первому и второму входам блока формирования и защиты, содержащего трехвходовый элемент И-НЕ, выход блока формирования и загщты через блок гальванической развязки и усиления импульсов, пред-. назначен для подключения к управляющему входу одного транзисторного ключа полупроводникового коммутатора, отличающийся тем,,что, с целью повышения энергетических показателей преобразователя и одновременного расширения области его применения, полупроводниковый коммутатор"выполнен по мостовой схеме, одна диагональ которой подключена к источнику однофазного напряжения питания, а к другой диагонали подключены две фазы нагрузки, третья фаза нагрузки подключена к одной из клемм напряжения питания, в блоке управления блок частотного регулирования снабжен шестым входом, соединенным с выходом третьего блока сравнения, блок частотного

1457125

12 юг.l

BAJIEHTHOCTb соединены последовательно между собой так, что первые входы второго, третьего и четвертого элементов ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ образуют вто5 рой, третий и четвертый входы блока частотного регулирования, первый вход которого образован первым входом первого элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ, а пятый и шестой его входы образованы 10 входами двухвходового элемента И-HE второй вход первого элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ соединен с вторым входом блока частотного регулирования, выход двухвходового элемента И-НЕ сое- 15 динен с первыми входами трех трехвходовых элементов И-НЕ, вторые входы которых соединены с выходами первого элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ, третьи входы трех элементов И-НЕ соединены со- 20 ответственно с выходами второго, третьего и четвертого элементов ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ, выходы трех трехвходовых элементов И-НЕ образуют первый, второй и третий выходы блока частотного регулирования, которые соответственно соединены с седьмым, пятым и шестым входами блока переключения режимов работы, блок формирования и защиты снабжен дополнительными вто- 30 рым„третьим и четвертым выходами, которые через блок гальванической развязки и усиления импульсов предназначены дпя подключения к управляющим входам трех остальных транзисторных ключей полупроводникового ком- ° мутатора, в блок формирования и защиты введены дополнительно трехвходо- 1 вый элемент И-НЕ, четыре двухвходовых элемента И-НЕ, два двухвходовых элемента И, один трехвходовый элемент И и пять элементов ИЛИ, при этом входы четырех двухвходовых элементов

И-НЕ соединены последовательно между собой по схемЕ замкнутого четырехугольника с четырьмя выводами от его вершин, первые три вывода соединены соответственно с вторым, третьим и первым. входами блока формирования и защиты, а четвертый вывод - с выходом первого трехвходового элемента И-НЕ, входы первых трех элементов ИЛИ соединены между собой последовательно по схеме треугольника, вершины которого соединены с тремя входами блока формирования и защиты, выходы трех элементов ИЛИ соединены с входами трехвходового элемента И и входами второго трехвходового элемента И-НЕ выход трехвходового элемента И соединен с первыми входами двухвходовых элементов И, вторые входы которых соединены с выходами третьего и чет- . вертого двухвходовых элементов И-HE выход второго трехвходового элемента

И-HE соединен с первыми входами четвертого и пятого элементов ИЛИ, вторые входы которых соединены с выходами первого и второго двухвходовых элементов . -HE выходы четвертого и пятого элементов ИЛИ, а также выходы двухвходовых элементов И образуют четыре выхода блока формирования и за- . щиты.

1457125

1457125 f9 Ю ХЧ

"а

6f gg

13

/ 24 Ж 16

uza

Y,Qgp

4hz и у

6!

1р е

Ф/ йу с,у

Составитель И.Амельченко

А.Ворович Техред М.Дидык Корректор С,Черни

Редактор!

1роцзводственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 7492/56 Тираж 645 Подписное

BHHHIIH ."осударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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