Преобразователь частоты

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах автоматики. Цель - расширение частотного диапазона и улучшение спектрального состава выходного напряжения. Преобразователь частоты может быть выполнен, например, с трехфазным выходом, т.е.содержать три преобразующих канала 1.1-1.3. Каждый Iй канал выполнен в виде последовательно соединенных вторичной обмотки 2.I, мостового выпрямителя 3.I с конденсатором 4.I на выходе и трех однофазных мостовых инверторов 5.I, 6.I, 7.I. Суммирование выходных напряжений инверторов фазных групп осуществляется либо параллельным / при реализации сильноточного выхода/, либо последовательным/ при реализации высоковольтного выхода/ соединением выходов инверторов. Для эффективного подавления пульсаций, обусловленных выпрямлением сетевого напряжения, на входах инверторов установлен фильтр-трансформатор 35. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК д11 4 Н 02 М 5!458

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4253622/24-07 (22) 01.06.87 (46) 15,05.89. Бюл. Ф 18 (71) Московский энергетический институт и Всесоюзный электротехнический

,институт им. В.И.Ленина (72) В.В.Михеев, Г.С,Мыцык и В.А.Чванов (53) 621.314.58(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N- 381144, кл. Н 02 M 7/537, 1971, Хасаев О,И, Транзисторные преобра-. зователи напряжения и частоты. M.

Наука, 1966, с. 60.

Сандлер А.С,, Гусяцкий N.M. Тиристорные инверторы с широтно-импульсной модуляцией. N.: Энергия, 1968, с. 73.

„„Я0„„148ОО6О. А1 (54) 1РЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ (57) Изобретение относится к области электротехники и м,б, использовано в .системах автоматики. Цель — расширение частотного диапазона и улучшение спектрального состава выходного напряжения. Преобразователь частоты может быть выполнен, например, с трехфазным выходом, т.е. содержать три преобразуюших канала 1.1-1.3. Каждый -й канал выполнен в внде последовательно соединенных вторичной обмотки

2.i мостового выпрямителя 3.i с конденсатором 4. на выходе и трех однофазных мостовых инверторов 5,i б.i 7.i. Суммирование выходных на- Я пряжений инверторов фазных групп осуществляется либо параллельным (при

1480060 реализации сильноточного выхода), либо последовательным (при реализации высоковольтного выхода) соединением выходов инверторов, Для эффективного

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах автоматики и электропривода.

Цель изобретения — расширение частотного диапазона и улучшение спек- S трального состава выходного напряжения, Ка фиг. 1 приведен пример выполнения преобразователя с трехфазным . выходом (ш=З) при числе каналов в каждой фазе n=3; на .фиг, 2 показаны временные диаграммы, иллюстрирующие принцип уменьшения влияния пульсаций выпрямленного напряжения на выходное напряжение преобразователя по фиг.l; 15 на фиг. 3 — возможная модификация трехканального (n--3) преобразователя с трансформаторным однофазным выходом (а) и блок-схема системы его управления (б); на фиг, 4 — временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя по фиг. 1 и 3; на фиг.5принципиальная блок-схема системы управления преобразователем по фиг,l (с п=т=З); на фиг. 6 — силовая часть предложенного преобразователя, вторая модификация; на фиг. 7 — то же, третья модификация.

Преобразователь частоты (фиг. 1) содержит три трехфазных преобразующих канала 1,1-1.3, каждый 1-й канал которого (где i=1 3) выполнен в виде последовательно соединенных вторичной обмотки 2.1 (2.1-1.3), мостового выпрямителя З.i (3.1-3.3) с конденса- 35 тором 4.i (4.1-4.3) на выходе и трех однофазных мостовых инверторов 5.1 (5,1-5,3), б,i (6,1-6.3), 7.i (7.17,3). Одни одноименные по полярности выходные выводы инверторов фазной 40 группы, например 5.1-5,3, формирующей напряжение одной фазы, объединены между собой и с аналогичными точками объединения выходных выводов инверторов других фаз в нулевую точку "0" 45 подавления пульсаций, обусловленных выпрямлением сетевого напряжения на входах инверторов установлен фильтр трансформатор 35. 3 з,п. ф-лы, 7 ил.

2 преобразователя, Другие выходные выводы инверторов каждой фазной группы через обмотки, расположенные на и (в данном примере на трех) стержнях замкнутых магпитопроводов 8-10, подключены к соответствующему )-му выходному выводу А, В, С преобразователя. Вторичные обмотки 2.1-2,3 могут быть расположены на общем магнитопроводе или на разных, как показано на фиг. 1, магнитопроводах, В последнем случае магнитопроводы трех трансформаторов и их первичные обмотки (по схеме соединения и по числу витков) выполняют идентичными. Инверторы каждой фазной группы, например

5,1-5.3, выполнены по мостовок схеме на транзисторах 11.i-14.i. Для уменьшения влияния пульсаций выпрямленного напряжения на выходное напряжение преобразователя дополнительные вторичные обмотки 2,2, 2,3 выполнены так, что их одноименные по фазному индексу i (результирующие) напряжения последовательно сдвинуты по фазе на

2 2тт угол †. — = — — = — между собой и от-

8 и 6 3 9 носительно напряжения основной вторичной обмотки. Кеобходимый фазовый сдвиг в общем случае может быть обеспечен на основе использования двух комплектов вторичных обмоток 17.1, 18.1 (в каждом дополнительном канале)

4 т2 с числами витков У и 1ъд, соединенных по схеме "зигзаг" (фиг. 1), где 1=1,(n-l) — номер дополнительной обмотки (в примере на фиг. ) п=З, а т

1=1; 2). Числа витков 4zze и Mzre двух комплектов 1-й дополнительной обмотки в долях от числа витков Ve< основной вторичной обмотки 2. 1 выбирают соответственно из соотношений:

l 2

Nxic 2 . Г в 1 иns

"" " " 3 3 и-ГЗ Ы " II и) 1480060

= — sin 1

РЗ Зпп

В конкретном случае на фиг. 1

< 2

n=3 числа нитков W W обмоток

t<< tz< <

17.1, 18.1 и числа витков V,, W обмоток 17. 2, 18. 2 соответственно равны:

1< . << з,п,<<

< 9 It tt< 9 п

< 2 . «, 2 . 21< .W = — з п — ° W; V = — sin — W

3 9 II И 9 II

С учетом того, что И =W и Ы„=

=Ч,, согласно (2) требуемцй последовательный фазовый сдвиг — между

9 аналогичными фазными напряжениями трех вторичных обмоток может быть обеспечен иначе — за счет использования иного соединения комплектов второй дополнительной обмотки 2.3, а именно по схеме "обратный зигзаг", как показано на фиг. 1, при этом достаточно лишь выполнить условия

< 1

Wtn WtI «It Wtt< °

Благодаря описанному выше выполнению обмоток 2,1-2.3, питающих выпрямители 3.1-3.3, и суммированию их

30 на соответствующем этапе преобразования (после инвертирования) результирующую пульсность Б(1 в выходном напряжении преобразователя по сравнению с пульсностью 8(,1 выпрямленного напряжения одного канала можно увеличить в и раз (с соответствующим уменьшением величины пульсаций). В пример на фиг. 1 и 2 Я(,1=8(<1 n=6.3=

=18.

Суммирование выходных напряжений инверторов фазных групп может быть осуществлено двумя путями: либо последовательным (при реализации высоковольтного выхода), либо параллель45 ным (при реализации сильноточного выхода) соединением выходов инверторов (каналов). Если в последнем случае суммиронание осуществляется на основе использования так называемого фильтра-трансформатора (ФТ), то форма выходного напряжения независимо от вида суммирования остается одной и той же.

Блок управления (фиг. Зб) содержит последовательно соединенные задатчик 18 тактовой частоты, трехразпялный регистр 19 сдвига-и трехканальный управляемья модулятор 20 п<ирины импульсов, выполненный, например, в виде трех формирователей развертывающего напряжения (ФРН)

21.1-21.3 и трех компараторов 22.1—

22,3 с выходными сигналами К;. На yttранляющие входы компараторон подают сиг«ал F от задатчика 23 эталонного напряжения (ЗЭН), который н <астном случае может быть синхрониз::.рован от блока !8 (возможная связь показана пунктиром). Для фиксации моментов изменения полярности сигнала F исполь. зуют преобразователь 24 формы сигнала (Пй) с парафазным выходом Р и ф, реализующий функцию << =sign F (фиг. 5), Сигналы ф и <<< с его выходов через усилительно-разнязывающий узел поступают на управляющие входы транзисторов 11.i, 12.i одного полумоста каждого i-ro иннертора 5.i. На управляющие входы двух транзисторов 13.i

14.i другого полумоста i-го иннертора подают соотнетственно сигналы (1),, (<< с соответствующего логического узла (ЛУ;) 25,i. На входы логических узлов подают сигналы с преобразователя 24 формы и с ко<<параторов 22.i. Логические узлы реализуют функпи« (2) и выполнены (н.конкрет«ом при<<ере) н виде двух двухвходовых логических элементов 2И 26,i, 27.i, первого логического элемента НЕ 28.i днухнходоного логического элемента 2ИЛИ

29.i и второго логического элемента

НЕ 30.i (индекс i=-1; n — это номер канала), Блок управления (БУ) для преобразователя с трехфазным выходом строится на основе БУ с однофазным выходом с той лишь особенностью, что вместо узла 33Н 23 с однофазнь<м выходом устанавливается узел 31 с трехфазным выходом (фиг. 5), так что в качестве задающего выступает уже не один сигнал F а три сдвинутых между собои последонательно по фазе на угол

2ь сигнала Fд, Fe,, F . Узлы 18, 19, 21.1-21.3 не требуют тиражирования, а совокупность узлов 32, очерченная на фиг. 4 пунктиром, тиражируется дважды (33, 34).

1480060

Если принять, что выходная частота преобразователя f много меньше частоты, питающего напряжения, то фрагменты напряжений У „„-Уодз (на т интервалах Ь1.= — ) будут иметь вид

6 напряжений 11,1, -ПС1 на выходе выпрямителей 3.1-3,3 (без учета фильтрующего действия конденсаторов 4,14,3).

При последовательном соединении выходов инверторов (фиг. 7) 1-й фазной группы электромагнитные узлы

8-10 не требуются, а выходное фазное напряжение U преобразователя на указанном интервале будет иметь вид суммы напряжений п каналов (фиг. 2).

Пульсирующее с частотой 18 f< напряжение U> на фиг. 2 показано пунктиром, Никаких особенностей в работу выпрямителей 3.1-3,3 последовательное соединение не вносит, Благодаря наличию узлов 8-10 в любой момент времени в проводящем состоянии находятся вентили всех п выпрямителей, т.е. последние работают в этом случае точно так же, как и при последовательном соединении выходных каналов, К обмоткам узла 8, например, кладываются напряжения 11 „, 11,,„„ (фиг. 2), представляющие собой разность между выходным (фазным) напряжением 11д преобразователя и напряжением на выходе соответствующего инвертора.

Разностное напряжение U«> показано на фиг. 2 дважды — на отдельной временной оси и штриховкой на диаграмме 13дд =f (t), Параллельное суммирование характеризуется также тем, что полезная (в данном случае постоянная) составляющая Ud- выходного напряжения осГО тается равной полезной составляющей

1Ь i-ro канала, а максимальное его

О О значение U„ несколько меньше максис1 я1и мального значения Ug;,„ i-го канала (фиг. 2), приРабота блоков 33, 34 полностью аналогична работе блока 32, В выходных сигналах(/(р<4

И)1 141 фиг, 5 дополнительно к индексу характеризующему номер канала, введен индекс j =A, В, С, характеризующий принадлежность блоков 32-34 соответствующей фазе преобразователя, Как видно из фиг. 2, напряжения

Uд, „Uä д, UA A на обмотках узла 8 образуют трехфазную систему. Из рас5 смотрения узла 8 с позиции трансформатора следует, что по отношению к этим напряжениям он находится в режиме холостого хода, представляя для них большое сопротивление. Проявляю10 щиеся таким образом фильтрующие свойства этого узла дают основание называть его фильтром-трансформатором (ФТ), Диаграммы на фиг. 4 поясняют рабо15 ту силовой части преобразователя по фиг. За и его блока управления по фиг. 36. Используемые при напряжениях

U(p) индексы (р) отражают принадлежность их соответствующему узлу или

2р точкам схемы: U сигнал (напряжение) на выходе задатчика 18 тактовой частоты; П „-U„><„,выходные сигналы трех каналов регистра 19 сдвига;

U «-U< — выходные сигналы трех фор25 мирователей развертывающего напряжения (ФРН) 21,1-21.3, которые в зависимости от исполнения компараторов могут быть либо разнополярными, либо однонолярными. В последнем случае

Зр сравнение сигналов ФРН и задающего осуществляют по модулю; Ц,д,-UpA — выходные напряжения инверторов 5.11

5;3; UoA - UoAg- выходные напряжения преобразователя соответственно при последовательном (фиг. 7) и параллель. ном (фиг. За) соединениях выходов инверторов 5. 1-5,3; Бд„,, Ц,„д, Ц напряжения на обмотках фильтра-транс4р форматора1 (1)» +<4 алгоритмы пере ключения ключей инвертора 5,1 (фиг. За); 11 -11„,, — прямой и инверсИ.1 ный сигналы на выходах компаратора

22.1 и логического элемента НЕ 28, 45 Напряжения UpA (где i=1; n) на выходе инверторов S.i формируются в результате сравнения в компараторе

22.i i-го развертывающего напряжения с задающим 11 зи соответствующей

50 логической обработки в i-м логическом узле 25.i, с которого сформированные сигналы р«,-(,4, поступают (после предварительного усиления и гальванической развязки) на управля55 ющие входы транзисторов ll.i-14.i инвертора 5.i.

В примере на фиг. Зб сигналы (,, и у снимают с преобразователя 24 и s формы (ПФ), выполняющего функцию дат1480060 чика полярности задающего напряжения

U и выполняемого обычно на базе операционных усилителей.

При выбранном на фиг, 4 соотношении частот развертывающего и задающего сигналов, равном 3, ближайшей по частоте гармоникой в напряжении UA,A является 5-я гармоника (относительно частоты выходного напряжения), пока- 10 занчая на фиг, 4 пунктиром. С увеличением кратности частот развертывающего и задающего сигналов рабочая частота ФТ возрастает и, следовательно, массогабаритные показатели (ФТ) 15 будут улучшаться.

Функциональная характеристика регистра 19 сдвига, который в рассматриваемом на фиг, 3 HMepe BblIIo;Iнен трехразрядным (п=З), определяет- 20 ся временными диаграммами сигналов

U<<(Ä> U,q(ni} снимаемых с его выходов I, II, III и сигчалом"чтя, поступающим на его вход с. задатчика 18 тактоной частоты. 25

Эффективность подавления пульсаций, обусловленных выпрямлением сетевого напряжения,.с помощью узлов 810.при используемом алгоритме инвертирования недостаточно высока. Объяс- 30 няется это наличием интервалов времени, на которых не все и инверторов фазной группы находятся в режиме подведения питающего (выпрямленного) напряжения к нагрузке". часть из них находится в режиме шунтирования нагрузки i-й обмоткой ФТ посредством соответствующих ключевых элементов

i-ro иннертора, н результате чего условие образования и-фазной системы 40 гармоник (из спектров и выпрямленных .напряжений) нарушается °

Для ослабления этого недостатка предлагается на входе инверторов ус- 45 тановить второй (входной) фильтртрансформатор 35, обмотки 36-38 которого расположены на соответствующих стержнях замкнутого и-стержневого магнитопровода и включены в одну из шин питания одного из и инверторов (фиг, 6). Эффективность такого решения увеличивается с ростом фазности m-преобразователя, поскольку этот фактор, обеспечивая непрерывность и

55 большую равномерность потребляемых от ныпрямителей токов, создает условия для проявления фильтрующих свойств ФТ (35).

В тех случаях, когдл требуется реализовать высоковольтный выход (без использования последовательного соединения полупронодн...ковых прибо поп), рациональным оказывается последовательное соединение выходов иннерторов фазной группы. Фильтры-трансформаторы в этом случае не требуются. Структура такого преобразователя поясняется на фиг, 7, а временные диаграммы, поясняющие формирование выходного напряжения Б „, приведены на фиг. 4, Предложенное решение позволяет при равчых условиях по элементной базе существенно (н п раз, где n— канальность преобразующего тракта) расширить частотный диапазон воспроизводимых сигналов, а также более чем н п раз улучшить качество преобразованного энергетического потока, Ф о р м у л а и з о б р е т е.н и я

1. Преобразователь частоты, содержащий основной тп-фазный преобразующий канал н виде многофазного трансформатора, к вторичной обмотке которого через выпрямитель с пульсностью S выпрямленного напряжения подключен тп-фазный инвертор в виде тп однофазных мосто". на управляемых ключах и блок управления его ключами, включающий в себя последовательно связанные между собой задатчик тактовой частоты и основной тп-канальный модулятор ширины импульсов в виде основного формирователя развертывающего напряжения, выходом подключенного к первым входам m основных флзных компараторон с выходами V „ вторые входы которых подключены к соответствующему выходу тп-фазного задатчика эталонного напряжения с Алзными выходами Г, где j=A,B,Ñ,..., — индекс фазы выходного напряжения, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона и улучшения спектрального составл выход. ного напряжения, он снлбжен п-1 дополнительными аналогично выполненными тп — фазными преобрлзующими клнлллми, вторичные обмотки многофлэных трансформаторон которых выполнены по схемам с последовательным флзоным сдвигом одноименных по выходной флзе напряжений вторичных обмоток нл угол

1480060

2ь

8п где и — общее число каналов выУ ходы однофазных мостов одной фазы, принадлежащие разным каналам, соединены по схеме суммирования, блок уп" равления снабжен и-1 дополнительными формирователями развертывающего напряжения, входы которых совместно с входом основного формирователя раз 10 вертывающего напряжения соединены с выходом задатчика тактовой частоты через введенный п-разрядный регистр .сдвига, и-I дополнительными компараторами, которые вместе с основными 15 образуют n m-фазных групп с выходом

К„", в ji-м компараторе, где i - номер канала, а также ш преобразователями .формы сигнала с парафазными выходами ф и Ф, входами подключенными к 20

F вйходам задатчика эталонного на1

Ъ пряжения и реализующими функцию 9

=sign Г, и ш:и логическими узлами с парафазными выходами,(1 ;и(ф, причем одни входы дополнительных компарато- 25 ров подключены к выходам соответствующих дополнительных формирователей развертывающего напряжения, другие входы компараторов, входящих в j-ю фазную группу, подключены к соответ- 30 ствующему фазному выходу Г задатчи,1 ка эталонного напряжения, выходы (и И « каждого логического узла свят1 яаны с управляющими входами соответствующих управляемых ключей одного З5 полумоста j i-моста, управляющие входы управляемых ключей другого полумоста каждого из и инверторных мостов

j -й группы связаны с выходами Р и

J ф указанного преобразователя формы 40 сйгнала, à ji-й логический узел выполнен реализующим на своем прямом выходе логическое выражение P = Р К .+

+Р к"

1 3 Ji ,к;, 2. Преобразователь по и, 1, о тл и ч а ю шийся тем, что при реализации в нем высоковольтного выхода выходы п инверторных мостов каждой фазы соединены последовательно.

3.. Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что при реализации в нем сильноточного выхода в него введены ш выходных и-обмоточных фильтров-трансформаторов с расположением каждой обмотки на одном из стержней замкнутого и-стержневого магнитопровода, причем одни одноименные по полярности выходные выводы и инверторных мостов j-й фазной группы объединены, образуя первь и выходной фазный вывод преобразователя, а каждый другой выходной вывод этих п мостов через соответствующую обмотку фильтра-трансформатора подключен к другому выходному фазному выводу преобразователя.

4. Преобразователь по пп ° 1 и 3, отличающийся тем, что, с целью дальнейшего улучшения спектрального состава выходного напряжения, в него введен входной и-обмоточный фильтр-трансформатор, каждая обмотка которого расположена на соответствующем стержне замкнутого истержневого магнитопровода и включена последовательно в одну из цепей питания каждого из и преобразующих каналов.

1480060

Ug

"тй)

ИууЯ)

uÄ g

1480060

Фиг. 7

Фиг.б

Составитель В.Моин

Редактор А,Маковская Техред Л.Сердюкова . Корректор C.P!exMap

Заказ 2554/53 Тираж 647 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101