Способ преобразования частоты переменного тока
Изобретение относится к силовой преобразовательной технике. Целью является улучшение динамических характеристик процесса преобразования при сохранении качества выходного напряжения. Способ заключается в формировании из однофазного напряжения сдвинутых между собой по фазе квазипрямоугольных напряжений, которые затем суммируют в выходной цепи. Квазипрямоугольность составляющих выходного напряжения достигается соответствующим периодическим, изменением коэффициента трансформации, используемого при преобразовании трансформатора и введением между полуволнами этих составляющих соответствующей длительности пауз. Предлагается также модификация способа, в которой используется промежуточное высокочастотное преобразование. 6 ил. СП С
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Й (21) 4620775/07 (22) 19.12.88 (46) 15.06,91. Бюл. № 22 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (72) В,Г. Ко с ан ов (53) 621.314.27(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР ¹ 11115577662288, кл. Н 02 М 5/27, 1984. Авторское свидетельство СССР N 1302398, кл. Н 02 М 5/27, 1985. Быков Ю.Г. Преобразователи частоты для электроподвижного состава с асинхронными двигателями. — Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника, 1980, с. 18-23, Руденко В.С. и др. Основы преобразовательной техники. — Изд-во Высшая школа, 1980, с. 283-287. Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, а именно к способам преобразования электроэнергии переменного тока одной частоты и /или одного числа фаз в электроэнергию другой частоты и /или другого числа фаэ. и может быть использовано в преобразователях однофаэного синусоидального напряжения с промежуточным повышением частоты (или без изменения ее) в однофазное или многофазное квазисинусоидальное напряжение в энергетике. автоматике и других отраслях, потребляющих энергию переменного тока. Цель изобретения — улучшение динамических характеристик процесса преобразо„„ „„1656642 А1 (54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (57) Изобретение относится к силовой преобразовательной технике. Целью является улучшение динамических характеристик процесса преобразования при сохранении качества выходного напряжения, Способ заключается в формировании из однофазного напряжения сдвинутых между собой по фазе квазипрямоугольных напряжений, которые затем суммируют в выходной цепи. Квазипрямоугольность составляющих выходного напряжения достигается соответствующим периодическим, изменением коэффициента трансформации, используемого при преобразовании трансформатора и введением между полуволнами этих составляющих соответствующей длительности пауз. Предлагается также модификация способа, в которой используется промежуточное высокочастотное преобразование. 6 ил. вания при сохранении качества выходного напряжения. На фиг. 1 изображены временные диаграммы напряжений для случая разбиения Т1 полупериода — частота f >) на 6 времен2 ных интервалов, соотношения частот fa1 = 11, fz=f>. трехфазного выходного напряжения и разбиения полупериода — на 6 ТЗ 2 временных интервалов; на фиг. 2 — временные диаграммы напряжений для случая разбиения полупериода Т1/2 на 12 временных интервалов, соотношения частот fa=2fi, f2=24fi, трехфазного выходного напряже1656642 Тз ния и разбиения полупериода — на 6 2 временных интервалов; на фиг. 3 и 5 — принципиальные электрические схемы силовой части преобразователей с указанными параметрами для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 4 — структурные схемы управления укаэанными преобразователями, Операции предлагаемого способа осуществляют в следующей последовательности: — разбивают каждый полупериод напряжения 0< íà и одинаковых временных интервалов; — делят мгновенное значение напряжения 0< на составляющие на каждом интервале; — при преобразовании беэ промежуточного изменения частоты fl изменяют мгновенные значения формируемых составляющих иlм напряжения 0, в разное число, KMJ, получают измененное напряжение и1м, а затем квазипрямоугольное вида меандр синфаэное с 0< напряжение ит23 частотой fl, где М вЂ” номер составляющей напряжения; J — номер составляющей выходного квазисинусоидального напряжения; — при преобразовании с промежуточным изменением частоты сначала производят преобразование формируемых составляющих 01м частотой fl в напряжения ип1м частотой fz > fl, а затем изменяют мгновенные значения напряжений иг11м частотой fz в разное число раз KMJ и получают измененные значения UfllM, а затем напряжение итП23 частотой fz; — преобразуют каждое напряжение итгз частотой fl или напряжение итп2,1 частотой fz в квазипрямоугольную составляющую и23 частотой f3 квазисинусоидального напряже ния; — формируют из составляющих 02J кваэисинусоидальное напряжение частотой f3. На фиг. 1а показано разбиение полупеТ1 риода — на 6 одинаковых временных ин2 тервалов; б — деление напряжения и на составляющие напряжения Ull, 012, 013; в— изменение мгновенных значений напряжений u» — 013 в разное число раэ, получение 1 напряжений 0» — 013 и формирование из них квазипрямоугольных напряжений и T21-и Т26 вида меандр с волнистыми вершинами (напряжения ит22-ит26 отличаются от итг1 только величиной); г — преобразование напряжений ит21 — ит25 частотой fl в кваэипрямоугольные напряжения u21 — uze 15 частотой f3; д — формирование линейных напряжений 0Ац, иаэс, исА из напряжений U21 U26 (напряжения UAB, UBc не показаны). Согласно фиг. 1б и принципу деления напряжение и> на первом интервале О-t1 содержит одну составляющую напряжения и», мгновенное значение которой равно исходному, т.е. 0»=0,, на втором интервале t1-tz — две составляющие напряжения и» и 012. сумма которых равна исходному напряжению, т,е. U»+012=Uv на третьем t2 t3 и четвертом t3 — t4 интервалах — при составляющие напряжения 0», 012 и 013, сумма которых равна исходному напряжению, т.е. 01)+012+013=Uy, на пятом интервале 14 т5— две составляющие напряжения 01г и 013, сумма которых равна исходному значению, Т1 T.e. 012+013=0ч, нд шестом интервале t5 20 — одну составляющую напряжения и13, равную исходному значению, т.е. 013=0„. При этом среднее значение составляющей напряжения и», которая образуется на первом интервале (U»cp) равно среднему 25 значению напряжения и, на этом интервале, т,е, U»cp=Uvcp, и остается неизменным на интервалах tl, t2 t3 и t4, на которых оно формируется, среднее значение составляющей напряжения 012, образующейся на вто30 ром интервале, равно разности средних значений напряжения uv на втором и переом интереапах, т.е. un„= uS;g — От П, и остается постоянным на интервалах формирования tz, тз, t4 и t5, среднее значение со35 ставляющей напряжения 01з, образующейся на третьем интервале, равно разности средних значений uv на третьем и втором интереапах, т.е. usa р= 0т"и — 0т и и 40 остается постоянным на интервалах формирования t3, t4, t5 и t6, среднее значение составляющей напряжения и», формирование которой прекращается на пятом интервале, равно разности средних 45 значений 0 на четвертом и пятом интервапах, т.е. Ullpp= От и — От П вЂ” ттт П, среднее значение составляющей напряжения 012, формирование которой прекращается на шестом интервале. равно разности средне50 го значения uv на пятом и шестом интервапах, т.е. U12pp= ЫД вЂ” 0т",а = ЫЯ вЂ” 0@,, а среднее значение составляющей напряжения и13, для которой шестой интервал явля55 eTcs последним интервалом формирования равно un=u(g = 0Д . Мгновенные значения составляющих напряжения u», ulz и 013 согласно фиг. 1в изменяют и формируют из измененных напряжений квазипрямоугольные, синфаэные 1656642 25 35 45 55 С Uv НаПРЯжЕНИЯ ит21-От26, КОЛИЧЕСТВО КОТОрых определяется числом составляющих трехфазной системы квазисинусоидальных напряжений частотой f3 (шесть на фиг. 1). Мгновенные значения напряжений и11, 012 и 013 изменяют для формирования напряжения от22- показанного на фиг. 1в, соответственно в К11, К21 и К31 раз, получая одинаковые напряжения 011(1),U12(1),U13(1) . равные 0721 на соответствующих интервалах, для формирования напряжения 0722 — соответственно в К12, К22 и К32 раз, получая одинаковые напряжения 01(2)О12(2).013(2), Равные UT22. Аналогично изменяют составляющие напряжения и, и для формирования остальных напряжений ит23 — ит26. При этом каждый коэффициент изменения напряжения равен отношению среднего значения формируемого напряжеТ1 ния от2,1 за полупериод —, равного среднему значению квазипрямоугольного напряжения частотой f3 на рабочей части Тз полупериода —, являющегося составля2 ющей выходного кваэисинусоидального напряжения, к среднему значению изменяемого напряжения на рабочей части Т1 полупериода — . Ток, обусловленный каждым из напряжений 0Т21 от26, равен сумме приведенных токов, обусловленных теми измененными составляющими напряжения о, которые участвуют в данный момент времени в формировании каждого иэ указанных напряжений. Следовательно. суммируемое число приведенных токов зависит от номера интервала. 8 соответствии с фиг. 1г преобразуют синфаэные напряжения ит21 — ит26 разных величин и частотой f1 в квазипрямоугольные напряжения 021 — 026 частотой f3 разных фаз и одной и той же величины, что и напряжения соответственно uT21 — UT26. Формируют линейные многоступенчатые квазисинусоидальные напряжения частотой f3:UAB — из напряжений U25 U26 и о21; 08C — Из U23, 024 И 025; UCA — ИЗ 021, 022, 023 (фиг. 1д). На фиг. 2а показано разбиение полупеТ1 риода — на 12 одинаковых временных 2 интервалов; б — деление напряжения и на составляющие; в — преобразование частоты f1 составляющих напряжений u11 — 017 в частоту fz, f2=24f1 и получение напряжений ип11 — ип17. г — изменение мгновенных значений напряжений Ufl11 ог117 частотой f2 в разное число раз, получение напряжений 011111 — 011117 и формирование иэ них напряжений итп21 — итП26 частстой fZ (напРяжения итп22 — итп26 отличаются от итп21 только величиной); д — преобразование нап ряжений итп21-итп26 частотой fz в кеазипрямоугольные напряжения с волнистыми вершинами U21 — U26 частотой f3, f3=2f1, е — формирование линейных напряжений исА из напряжений U21, U22 и 023, UBc из напряжений и23, U24 и U25 H UAB из напряжений U25, 026 и 021 (напряжения од8 и и8с на фиг. 2 не показаны). Согласно фиг. 2б и принципу деления. НаПряжЕНИЕ uv На ПЕРВОМ ИНтЕрВаЛЕ 0 — t1, содержит одну составляющую напряжения u1z, мгновенное значение которой равно исХОДНОМУ НаПРЯжЕНИЮ, т.Е. 012=0v, На ВТОРОМ t1-t2 — три составляющие напряжения и11, 012 и и13, сумма мгновенных значений котоРЫХ РаВНЭ ИСХОДНОМУ, т.Е. u11+u1Z+u13=uv, На третьем t2 — t3, четвертом t3 — t4, пятом t4-t5 и шестом t5-t6 интервалах число составляющих растет соответственно до четырех, пяти, шести и семи и сумма их мгновенных значений на каждом интервале также равна исходному напряжению uv. На седьмом интервале t6 — t7 сумма является такой же, как и на шестом. т.е. u1M = vo. Далее количеМ =1 ство составляющих на интервалах восьмом t7-te, девятом ta-to, десятом 1е-tto и одиннадцатом t1o-t11 падает соответственно до 6, 5, 4 и 3 и на одиннадцатом интервале t1O — 111 СУмма мгновенных значений U15. 016 и 017 равна исходному напряжейию и, т.е. u15+u16+u17=uv, На ДВЕНаДЦатОМ ИНтЕРЕаЛЕ t11 — t1Z напряжение 0> содержит одну составляющую 016 мгновенное значение котоРой Равно исхоДномУ. т.е. u16— = uv. ПРи этом среднее значение напряжения 012, которое образуется на первом интервале, равно среднему значению напряжения 0> на атом интервале. т.е. Ucp,р= Отто и остается постоянным на интервалах от первого по восьмой, сумма средних значений напряжений о11 и 013. образующихся на втором интервале, равна разности средних значений напряжения uv на втором-и первом интервалах, т е. U cicpc U1 pep= .ОЯ вЂ” ОД и остается постоянной нэ интервалах от второго по седьмой, средние значения напряжений U14 U15, U16 017, образующихся соответственно на третьем, четвертом. пятом и шестом интервалах, равны Ucpcy=U5$c — ЫЯ, Uls p =U1c -U1c Ucpcp =UPc)-è1ô Ucccp= U cCl— U/c и остаются постоянными на интервалах соответственно с третьего 1656642 по десятый, с четвертого по одиннадцатый, с пятого по двенадцатый и с шестого по одиннадцатый. Среднее значение напряжения и11, формирование которого прекращается на восьмом интервале, равно разности средних значений и> на седьмом и восьмом интервалах, т.е. Ullcp=0Ä вЂ” 0(ф, средние значения напряжений U12 014 и суммы напряжений О16+о1т, формирование которых прекращается соответственно на девятомДвенаДЦатом интеРвалах, Равны 012cp= -0Д вЂ” Ufc, Uucp= LPccf — U5cPp 014с = Йср UUp p; U 1>p+U)7qp=U(gp — U(c p, а сРеднее значение /Щ напряжения U16, для которого двенадцатый интервал является последним интервалом (11) фоРмиРованиЯ, Равно 016ср=0Рр = U>zp, Напряжения U11-U12 частоты f1. согласно фиг, 2в преобразуют в напряжения ип11ип п частотой f2, f2-24fi с теми же мгновенными абсолютными значениями, что и напряжения о11 — а1Т, Мгновенные значения напряжений ип11 — ип1т, как это показано на фиг. 2г, изменяются и формируются из измененных напряжений ип11 — ип1т с паузами той же длительности, что и в напряжениях о11 — U12, напряжения UTfl21 uòï26 беэ пауз частотой f2, количество которых определяется числом составляющих трехфаэной системы квазисинусоидальных напряжений частотой fg (шесть на фиг. 2д). Мгновенные значения напряжений ип11-Оп1Т изменяются для формирования напряжения UTff21 — соответственно в К11-К1т раэ, получая одинаковые н а и ря же н ия 041 (1),....,04ó (1), ра в н ы е Отп21, для формирования напряжения Отп22 — соответственно в К12-Кт2 раэ, получая одинаковые напряжения 041(2) „„„04у(2), равные Отп22. Аналогично изменяются оп11— UflJ) для формирования остальных напряжений 0 тп2з Отп26. При этом каждый коэффициент изменения напряжения равен отнЬшению среднего интегрального абсолютных значений формируемого напряжения, равного среднему значению квазипрямоугольного напряжения частотой Тз fz на рабочей части полупериода —, являющегося составляющей выходного квазисинусоидального напряжения, к среднему значению соответстующей составляющей напряжения и на рабочей части полупериода — . Ток, обусловленный каждым из Т1 напряжений итп21-отп26, равен сумме приведенных токов. обусловленных теми изме10 15 ненными составляющими из uh11-ип1т, которые участвуют в данный момент времени в формировании каждого из указанных напряжений. Следовательно, число суммируемых приведенных токов зависит от номера интервала В соответствии с фиг. 2г преобразуются напряжения итп21-цтп26 разной величины и частотой 12 в квазипрямоугольные напряжения u21 — U26 частотой fa, разных фаз и той же величины, что и напряжения соответственНО 0ТП21 ОТП26. Согласно фиг, 2е формируют многоступенчатые кваэисинусоидальные линейные напряжения частотой f3:UAB — из напряжеНИЙ U25, 026 И U21; UBC Из U23, 024 И U25; UCA Из U21, U22 И U23. Предложенный способ в случае f2=f1, Тз 20 разбиения полупериода — на шесть вре2 менных интервалов (! = 6 ), более низкой 1 частоты на выходе fq= — г! и разбиения Т! полупериода — также на шесть временных интервалов (n=6) для того, чтобы удовлетворялось приближенное условие квазисинусоидальности выходного напряжения: Т! n > —, может быть осуществлен устройТз ством, пример принципиальной электрической схемы силовой части которого показан на фиг,3, Устройство по фиг. 3 содержит трансформатор 1 с тремя первичными 2-4 и шестью вторичными 5-10 обмотками. Последовательно с первичными обмотками включены рабочие выводы ключей 11-13 переменного тока по одному в каждой обмот40 ке. Параллельно цепи обмотка 2 — ключ 11, подключен ключ 14 переменного тока параллельно цепи: обмотка 3 — ключ 12 подсоединен ключ 15, параллельно цепи обмотка 4 — ключ 13, включен ключ 16. Укаэанные 45 последовательно-параллельные цепи в свою очередь соединены последовательно и включены на напряжение и>. Вторичные обмотки 5-10 своими началом, средним выводом и концом соединены с рабочими 50 выводами ключей переменного тока соответственно; обмотка 5.— с ключами 17 — 19, обмотка 6 — с ключами 20-22. обмотка 7 — с ключами 23 — 25, обмотка 8 — с ключами 2628, обмотка 9 — с ключами 29-31, обмотка 55 10 — с ключами 32 — 34. Соединенные выводы трех ключей, связанных с одной и той же обмоткой, образуют первый выходной вывод демодулятора (ДМ). Вторым выходным выводом ДМ является средний вывод вто1656642 10 ричной обмотки. Три ДМ с обмотками 6, 8 и 10 соединены в треугольник. к вершинам которого присоединяются одними своими выводами остальные три ДМ, образующие другими выводами фазы А, В и С. Согласно структурной схеме на фиг. 4а система управления ключами 11-16 содержит задающий генератор 35, управляющий кольцевой пересчетной схемой 36. примененной в качестве фазорасщепителя, Выходные напряжения узла 36 алгебраически су ..мируются в узле 37, затем выпрямляются в детекторе 38 и подаются на управляющие входы ключей 11 — 16. Задающий генератор 35 синхрониэируется источником переменногс тока частотой fl, На фиг. 4б . труктурная схема системы управления ключами 17-34, которая содержит задающий генератор 39, синхро иэируемый в случае необходимости (для снижения коэффицисчта искажения синусоидальности выходного напряжения) источником переменного тока, кольцевую пересчетчую схему 40 в качестве фазорасщепителя, к выходам которсй подключены входы двух сумматоров 41 и 42 с выходными напряжениями различного заполнения частотой fg. С первого сумматора выходные напряжения подаются через детектоо 43 на управляющие входы клю ей 18, 21, 24, 27. 30 и 33, а с второго сумматора выходные напряжения подаются на первые входы шести фазо-импульсных модуляторов 44 — 49, вгорые входы которых соединяются с выходом формирователя 50 прямоугольного напряжения типа меандр, включенного на выводы источника переменного тока. Выходы модуляторов попарно подключены к управляющим входам ключей 17 и 19, 20 и 22, 23 и 25, 26 и 28, 29 и 31 и 32 и 34. Устройство работает следующим образом. Разбиение каждого полупериода на шесть временных интервалов, как это показано на фиг. 1а, осуществляется ключами 11-16 переменного тока в соответствии с временными диаграммами напряжений управления ии11 UU16. На первом интервале О-t>, начало которого совпадает с началом Т1 полупериода — (фиг. 1а), замкнуты ключи 11, 15 и 16, а ключи 12 — 14 разомкнуты и обмотка 2 включена на напряжение и . На втором интервале t1 t2 размыкается ключ 15, замыкается ключ 12 и возросшее напряжение и делится между последовательно соединенными обмотками 2 и 3. Поскольку отношение чисел витков обмоток 3 и 2 выбирается равным отношению = чЗ, где ОЯ и От В средние значения нап ряжения и, на втором и первом интервалах, то среднее значение напряжения 012 р на обмотке 3 равно Uucp=Ufcg U(c) = V3 U„p. На третьем интервале т2-t3 размыкается ключ 16, замыкается ключ 13 и еще большей величины напряжение ио делится между последовательно соединенными обмотками 2 — 4. Поскольку отношение витков обмоток 4 и 2 принимается равным =1 15, гаем@ — среднее значение напряжения ccÄ на третьем интервале, то среднее значение напряжения 0)Дар на обмотке 4 равно Uu р=UQ ОЯ =Ucl р. На четвертом интервале тз-t4 состояние ключей не меняется, Поскольку среднее значение напряжения о„ такое же, как и на третьем интервале, остаются включенными на напряжение и< три 25 обмотки 2-4. На пятом интервале t4 — t5,íàпряжение и< ниже, размыкается ключ 11, замыкается ключ 14 и из цепи последовательно включенных обмоток исключена обмотка 2. Напряжение делится между обмотками 3 и 4. При минимальном напряТ1 жении иу на шестом интервале ts — — размыкается ключ 12, замыкается ключ 15. В результате напряжение и, прикладывается 35 к одной обмотке 4. Формируемую составляющую напряжения и> представляет напряжение на обмотке на тех интервалах, на которых к обмотке приложены часть или полное напряжение 40 uv. На остальных интервалах, вследствие трансформаторной связи имеется наведенное напряжение на отключенной от напряжения и< обмотке, однако она не участвует в передаче энергии из первичной цепи во вторичную. "оставляющие и11, и12 и и1з напряжения иу показаны на фиг. 1б. Изменение мгновенных значений составляющих напряжения и< осуществляется трансформатором, при этом в соответствии с изложенным принципом действия, как это показано на фиг. 1в, получаются одинаковые измененные значения соответствую1 щих составляющих и!м на каждом 1 1 интервале(и11 и а12 на втором интервале, 55 u t u 2 и и1э на третьем и четвертом интервалах и т,д.), приложенных к одной и той же вторичной обмотке, например, обмотке 5 на фиг. 3. Число первичных обмоток, напряжение которых является составляющей на1656642 ПРЯжЕНИЯ Uv РаЗЛИЧНО На РаЗНЫХ ИНтЕРВалах и меняется от одной на первом интервале до трех на третьем, а затем от трех обмоток на четвертом интервале до одной на шестом, т.е. всегда имеется от одной до 2 — и — 1 обмоток, через которые передается энергия из сети в обмотку 5. Поэтому сформированное напряжение на вторичной обмотке 0721 не имеет паузы, а является непрерывной временной функцией, Так как на каждой первичной обмотке среднее значение напряжения одинаково на разных инТ1 тервалах рабочей части полупериода 2 то одинаковыми на всех интервалах полупериода являются средние значения напряжения От21 на обмотке 5. Сформированное напряжение на обмотке 5 получается квазипрямоугольной формы и оно тем ближе к прямоугольному, чем больше число интервалов е полупериоде. Такой же формы, но другой величины являются сформированные напряжения UT22 — UT26 на остальных вторичных обмотках (6 — 10), Преобразование напряжений на обмотках 5 — 10 частотой fl в квазипрямоугольные напряжения u21 — Огб частотой 13 разных фаэ и с паузами осуществляется с помощью шести демодуляторов, выполненных на ключах 17 — 34. В результате геометрического сложения выходных напряжений демодуляторов (U21 — 026, фиг, il) образуются три линейных квазисинусоидальных напряжения, одно из которых (ucA) показано на фиг. 1д. Средние значения напряжений 021 — 026 на рабочей Тэ части полупериода —, обозначаемые, Ог,рсвяэаны с амплитудой основной гармоники выходного линейного напряжения преобразователя О l,m1 числом временных интервалов I в полупериоде и номером группы т, объединяющей вторичные обмотки трансформатора с одинаковым числом витков, следующим уравнением: U2„p — 20лп 1 Р cOs2(v — 1 + — ) ф I >1 >1. л. I В преобразователе с I-б обмотки 5, 7 и 9 входят в группу v =2, а обмотки 6, 8, 10— в группу с Р -1. Если на выходе преобразователя одна фаза, достаточны три вторичные обмотки с напряжениями uT21 — 0 T23 и три демодулятора на ключах 17 — 25 с выходными напряжеНИЯМИ U21-U23. На входы ключей 11-16 подаются управляющие напряжения 0011 — u016 частотой 2f1 (фиг. 1е), сформированные с помощью узлов 35 — 38 (фиг. 4а) и представляющие собой абсолютные значения. сумм или разностей выходных напряжений кольцевой ПЕРЕСЧЕтНОй СХЕМЫ Ucp11 Ucp16 ВИДа МЕаНДР 5 Uy11 = /Ucp11 О ср 15 /: Uy12 = /Ucp12 U ср 16/ Uy13 = /Ucp11 + Ucp13/: Uy14 = /Ucp11 +U ср15/; Uy15 = /Оср12 + Ucp16/; 10 Оу16 = /Оср11 U ср13/ ° На выходы ключей 18, 221, 24. 27, 30 и 33 демодуляторов подают напряжения соотВЕтСтВЕННО Оу18, Оу21, Оу24, Оу27, Uy30, Uy,33 частотой 2f3. показанные на фиг. 1ж, кото15 рые образуются после выделения в детекторе 42 (фиг. 4б) абсолютных значений выходных напряжений сумматора 41 с отноТ3 сительно малой шириной импульсов (— ), 6 20 Напряжения управления Uy18 = /Ucp21 + UCp25/; Uy21 = /Ucp22+ Ucp26/; Оу24 = /оср23 Ucp21/: Uy27 = lUcp24 0 сргг/ 25 ОуЗО = /Ucp25 Ucp23/; Uy33 = /Оср26 0 ср24/ Остальные ключи 17, 19, 20, 22, 23. 25, 26, 28, 29, 31, 32 и 34 демодуляторов управЛЯЮт СИНфаэНЫМИ С Uv ПРЯМОУГОЛЬНЫМИ На30 пРЯжениЯми виДа меанДР Оср частотой f1, модулированными по фазе выходными напряжениями сумматора 43 с относительТЭ но большей шириной импульсов (— ) час3 35 тотой 13; 0; 21 =Ucp21 0 ср25; 0 22 = Ucp2? 0 ср26: О Е23 =U ср23 U cp21; 0 24 = Ucp24 0 сргг; 40 ОЯ25 = Ucp25 + 0 ср23; 0>26 = Ucp26 + Ucp24; Фаза-импульсная модуляция осуществляется в ячейках 44 — 49, на входы каждой ячейки подается прямоугольное напряже45 ние Ucpv фоРмиРователЯ 50, синфазное с Uv и одно иэ напряжений оу21 0 26. ВыходНОЕ НаПРЯжЕНИЕ ЯЧЕЙКИ 08МК= Ucpll 0 2K (К=1, 2...„6). 50 Напряжение 08мк положительной полярности (08MK> > О) замыкает ключи 17, 20, 23, 26, 29 и 32 (напряжения управления этиМИ КЛЮЧаМИ Uy17, Uy20. Оу23, Uy26. Uy29 И Uy32), а напряжение 08мк отрицательной полярно55 сти(08мк < О) замыкает ключи 19, 22, 25, 28, 31 и 34 (напряжения управления Uylg, Uy22, Uy25, оу28, оу31. Оу34, что обеспечивает противофазность (попарно) соответствующих напРЯжений УпРавлениЯ (Uy17 и Оу19, Uy20 и Uy22 1656642 40 50 55 и т,д., фиг. 1ж), а значит и состояний ключей 17, 19, 20 и 22 и т.д, на рабочей части полТз упериода —, В пазу, когда напряжения управления равны нулю, соответствующая пара ключей разомкнута. В случае промежуточного повышения частоты от ft до 5 (например, 1 =2411, более высокой частоты на выходе (например, Тз fq=2f>, разбиения полупериода — на 6 временных интервалов и в соответствии с этими данными для того, чтобы выполняТ1 лось условие и > I —, разбиения полупеТз Т1 риода — на 12 временных интервалов 2 п редложенный способ может быть осуществлен устройством, пример принципиальной электрической схемы силовой части которого показан на фиг. 5. Устройство содержит трансформатор 51 с семью первичными 52-58 и шестью вторичными 59 — 64 обмотками. Первичные обмотки своими началом, средним выводом и концом соединены с рабочими выводами ключей переменного тока соответственно: обмотка 52 — с ключами 65-67, обмотка 53— с ключами 68 — 70, обмотка 54 — с ключами 71 — 73, обмотка 55 — с ключами 74 — 76, обмотка 56 — с ключами 77 — 79, обмотка 57 - с ключами 80 — 82, обмотка 58 — с ключами 83— 85. Вторыми выводами каждые три ключа соединены друг с другом и образуют один входной вывод каждого модулятора напряжения, вторым входом которого является средний вывод вторичной обмотки, Семь модуляторов напряжения соединены своими входами последовательно и включены на напряжение u+, Вторичные обмотки соединены с ключами 86 — 103 переменного тока и образуют шесть демодуляторов, соединенных между собой по такой же электрической схеме, как и показанная на фиг. 3. Система управления ключами 65-85 согласно структурной схеме нэ фиг, ба содержит задающий генератор 104, синхронизируемый источником переменного тока, делитель 105 частоты, управляющий кольцевой пересчетной схемой 106, примененной в качестве фазорасщепителя. Выходные напряжения ее вида меандр частотой f> в одном канале алгебраически суммируются в звене 107. затем выходные напряжения относительно малого заполнения выпрямляются в детекторе 108 и подаются на управляющие входы ключей 66, 69. 72, 75, 78, 81 и 84, а во втором канале— алгебраически суммируются в звене 109 и 35 выходные напряжения относительно большего заполнения подаются на первые входы семи ячеек 110-116 фазо-импульсных модуляторов, вторые входы которых соединены с выходом задающего генератора 104. Выходы модуляторов подключают соответственно к управляющим входам попарно ключей 65 и 67, 68 и 70, 71 и 73, 74 и 76, 77 и 79, 80 и 82, 83 и 85. На фиг. 66 показана структурная схема системы управления ключами 86-103. Она содержит задающий генератор 117, синхронизируемый (при необходимости) источником переменного тока, и управляющий кольцевой пересчетной схемой 118. Выходные напряжения вида меандр частотой 4 в первом канале суммируются в звене 119, затем выходные напряжения относительно малого заполнения выпрямляются в детекторе 120 и подаются на входы управления ключей 87, 90, 93, 96, 99 и 102, во втором канале выходные напряжения звена 118 суммируются в звене 121, выходные напряжения которого относительно большого заполнения подаются на первые входы шести ячеек 122 — 127 фаэоимпульсных модуляторов, вторые входы которых соединены с выходом задающего генератора 104. Выходы модуляторов подключены к управляющим входам (попарно) ключей 86 и 88, 89 и 91, 92 и 94, 95 и 97. 98 и 100, 101 и 103. Данное устройство работает следующим образом, Разбиение каждого пол упериода Т1 — напряжения и< на 12 временных интерва2 лов, как это показано нэ фиг. 2а, осуществляется ключами 65-68 переменного тока в соответствии с временными диаграммами напряжений управления иу55 — иув5 (фиг, 2ж). На первом интервале 0-tt разомкнуты поочередно ключи 68 и 70 (половина интервала каждый) и постоянно ключи 66, 72, 75, 78, 81 и 84, а разомкнуты поочередно ключи 70 и 68 и постоянно ключ 69 и остальные ключи с номерами в вышеуказанных пределах. Следовательно, входное напряжение u>g (фиг. 26) второго модулятора напряжения (напряжение на ключе 69) равно напряжению u-, входное напряжение поочередно с частотой f2 прикладывается к левой и правой секциям обмотки 53. Поэтому их напряжение имеет повышенную частоту 4 напряжение upi левой секции на фиг. 2в), Таким образом осуществляется преобразование напряжения u>z-— и> частотой f> в напряжение untz частотой fz. На втором интервале t1 t2 замкнуты поочередно ключи 65 и 67, 68 и 70, 71 и 73 и постоянно ключи 1656642 75, 78, 81, 84 а разомкнуты поочередно ключи 67 и 65, 70 и 68, 73 и 71 и постоянно ключи 66, 69, 72, 74, 76, 77, 79, 80, 82, 83 и 85. Напряжение цч делится между входными напряжениями 011 012 U13 частотой f1 (см, фиг. 2б) первого, второго, третьего модуляторов, которые одновременно преобразуют указанные напряжения в напряжения соответственно 0П11, 0П1г и 0П1З частотсй fZ (на фиг. 2в напряжения левых секций обмоток 52, 53 и 54). Поскольку средние значения напряжения u1z на первом и втооом интервалах одинаковы, т.е. 0@р = 01Яр, а отношение суммы витков обмоток 52 и 54 к числу витков обмотки 53 принимается равным отнашЕниЮ вЂ” K1 та Сумма иЯ-иД U c средних значений напряжений 011 и 01з равна и11срти1аср=и лл иаст,=к1и1ттр, Ul2 р=ив, Е. тта третьем интервале тт— - тз замыканием и размыканием соответствующих контактов обеспечивается деление напряжения 0> между входными напряжениями 011 — 014 частотой f1(фиг. 26) 1-го — 4-го модуляторов, на выходах которых образуются напряжения 0п11 0п14 частотой fz (фиг. 2в, напряжения левых секций обмоток 52-55. Поскольку средние значения входного напряжения каждого модулятора одинаковы на всех интервалах, а отношение числа витков обмоток 55 и 52 принимается равным — Kz, то среднее значение напрвженив в14 равнои л р=ит л — ив а =KzU1zcp. На четвертом, пятом и шестом интервалах по указанному принципу определяют отношения чисел витков обмоток соответственно 56 и 52, 57 и 52, 58 и 52 и находят средние значения напряжений 016, U16 и 017 а значит, мгновенные значения указанных напряжений, а также напряжений 0п16, 0п16, Опав (фиг. 2б, в). Если учесть, что средние значения напряжений 0» и 01т одинаковы, то определяют средние и мгновенные значения напряжений на входе и мгновенные значения напряжений на выходе остальных модуляторов, которые соответствуют кривым, приведенным на фиг. 2б, в. На седьмом интервале состояния всех ключей не меняется, поскольку среднее значение 0< такое же, как на шестам интервале. Поэтому напряжение 0< делится между всеми семью модуляторами, На восьмом— одиннадцатом интервалах посредством соответствующего переключения ключей изменяется число модуляторов, включенных своими входами последовательно на напря10 ЖЕНИЕ 0ч В ПРЕДЕЛаХ От ШЕСТИ МОДУЛЯТОРОВ на восьмом интервале до трех на одиннадцатом. На двенадцатом интервале все наПРЯжЕНИЕ 0ч ПРИЛОЖЕНО К ОДНОМУ (седьмому) модулятору. Таким образом можна найти мгновенные значения входных и выходных напряжений всех модуляторов на седьмом — двенадцатом интервалах (фиг, 26, в), Изменение мгновенных значений соСтаВЛЯЮЩИХ 01М НаПРЯжЕНИЯ 0ч ПОСЛЕ ПРЕобразования их частоты f1 в частоту fz u образования напряжений 0п1м производится с помощью трансформатора 51. При этом получаются одинаковые измененные значения соответствующих составляющих напряжения частотой fz на каждом интервале (011111 U(117 и U313 на втором интервале,041. 042 И11з и Uh14 на третьем интервале и т,д. (фиг. 2г), приложенных к аднои и той же вторичной обмотке, например оэмотке 59 (фиг. 5). Число модуляторов, входные напряжения которых являются составляющими напряжения uv, различно на разных интервалах и меняется от одного на первом интервале до семи на шестом, а затем от семи на седьмом интервале да одного на двенадцатом, т.е. всегда имеется ат 2 одного до — n-1 модуляторов, через кото3 рые передается энергия иэ сети в обмотку 59. Поэтому сформированное напряжение на вторичной обмотке 0тп 1 не имеет паузы, а является непрерывной временной функцией. Так как среднее значение входного напряжения каждого модулятора одинаково на всех интервалах рабочей части полупериТ1 ода —, одинаковыми на всех интерва40 2 лах являются средние интегральные абсолютных значений напряжения на обмотке 59. Напряжения 01022-0тп26 на остальных вторичных обмотках 60-64 также 45 являются непрерывными временными функциями и отличаются ат напряжения на обмотке 59 только величиной. Преобразование напряжений UT021Отпм частотой fz на обмотках 59 — 64 в квазии р я м о у г о л ь н ы е н а и р я ж е н и я 021-026 частотой 1з разных фаэ и с паузами (фиг. 2д) осуществляется с помощью шести демодуляторов, выполненных на ключах 86-103, Средние значения напряжений Uzl — U26 на Тз рабочей части полупериада — определя2 ются из уравнения для случая, когда f1=fz. В результате геометрического сложения соответствующих выходных напряжений демоляторов образуются три линейных 1656642 18 квазисинусоидальных напряжения, одно из которых (ucA) показано на фиг. 2е, Возможно также построение преобразователя с однофаэным выходным напряжением, имеющего, как и в случае f1=f2, меньше вторичных обмоток и демоляторов, а значит, и ключей. На входы ключей 66, 69, 72, 75, 8, 81 и 84 модуляторов подаются управляющие напря кения с соответствующими индексами (фиг. 2ж), которые образуются после выделения детектором 108 (фиг. 6а) абсолютных эначс.-ний выходных напряжений сумматора 107. Напряжения управления Оубб = /ucp12 +U ср18/ Оуб9 = Ucp11+Оср19/; Оч72= /Ucp12 ucp110/ Uy75= /Ucp 3+ Ucp111/; Оу78 = /Гср14 + Оср112/ Оу81 =- 7 u=p 5 ucp11/ Uy84 = /Ucp16 Оср12/ ГдЕ Ос 11 Ucp tl? — ВЫХОДНЫЕ НаПряжЕНИя вида меандр частотой f1 кольцевой пересчетной схемы 106. Остальные ключи модуляторов (65, 67, 68,, 70, 71, 73, 74, 76, 77, 78, 80, 82} упранпяо1ся прямоугольными напряжениями типа МЕапдр чаетОГОй fz, МЭдупнрОВаННЫМИ ПО фазе выходными напряжениями сумматора 109 частотой f1: О 11 =Ucp12 Ucp18, и Z1, Оср11 Оср19; О 13 =Оср12 — Оср110; О 14 =Оср13 Ucp111 i и 15 =Оср14 Оср112; О 16 =Ucp15 Оср11, О 2 17 =Ucp16 Ucp112: Фаэо-импульсная модуляция осуществляется в ячейках 110-116. На входы каждой ячейки подаются прямоугольные напряжеНИЯ Uar1 ЧаСтстЫ f2 и Одно иэ напРЯжений ь;11-О17частотой f1. Выходное напряжение каждой ячейки равно произведению этих входных напряжений (фиг. 2ж), На входы ключей 87, 90, 93, 96, 99 и 102 демодуляторов подаются напряжения управления с соответствующими индексами, показанные на фиг.2л, которые образуются после выделения в детекторе 120 (фиг. 6б) абсолютных значений выходных напряжений сумматора 119. Напряжения управления равны Оу87 = /Ucp21 + Оср25/ Uy90 = /Ucp22 1 Ucp26/; Uy93= /Оср23 Ucp21/; uy96= / U cp24 О с р22/; Uygg= /Ucp25 Ucp23/; U y102= / Оср26 О ср24/; ГДЕ Ucp.21 Оср 26 ВЫХОДНЫЕ НаПРЯжЕНИЯ ВИда меандр кольцевой пересчетной схемы 118. Остальные ключи демодуляторов (86, 5 88. 89, 91, 92, 9 1, 95, 97, 98. IOO, 101, 103) управляются прямоугольными напряжениями типа меандр частотой fz, модулированными по фазе выходными напряжениями сумматора 121 частотой f3: 10 UZ21 = Оср21 Ucp25 U 2 = Ucp22 Ucp26, Up23 = Ucp23 + Оср21: Uy24= Ucp24+ Ucp22 О, .25 = Ucp25 + Ucp23; 15 Фаэо-импульсная модуляция осуществляется в ячейках 122-127. На входы каждой ячейки подаются прямоугольное напряжение О зг1 частотой f2 и одно из напряжений u 1 — u 6частОтой f3, выхоДнОЕ напряжЕниЕ 20 каждой ячейки равно произведению указанных входных напряжений (фиг. 2л). При большем числе временных интерваТ1 лов и в попупериоде — растет число пер2 25 вичных обмоток трансформатора (фиг. 3 и 5) 2 согласно уравнению m= — и — 1 и, следова3 тельно, число ключей, коммутирующих обмотки, В структурных схемах систем 30 управления (фиг„4а и 6а) изменяются соответственно с изменением и и числа ключей. коэффициент пересчета. равйый и, и количество выходов кольцевых пересчетных схем, а также сумматоров и детекторов и количе35 ство ячеек фазо-импульсной модуляции. При увеличении числа временных интерваТз лов i в полупериоде — увелИчивается чис2 ло вторичных обмоток и связанных с ними 40 демодуляторов согласно уравнению d=2I — 6 и, следовательно, количество ключей, коммутирующих обмотки, В структурных схемах систем управления (фиг. 4б и бб) 45 изменяются соответственно с изменением! и числа ключей, коэффициент пересчета, равный I, и количество выходов кольцевых пересчетных схем, а также сумматоров, детекторов и количество ячеек фазо-импульс50 ной модуляции. Таким образом, предложенный способ преобразования частоты позволяет применить простые схемы, комплектуемые изве55 стными функциональными узлами и элементами, Способ осуществляет промежуточное преобразование переменного однофазного напряжения не в постоянное, а в переменное однофазное напряжение дру55 гой формы той же или повышенной частоты, 1656642 19 что позволяет исключить фильтры или значительно уменьшить их установленную мощность. Необходимость применения фильтров или их отсутствия обусловливается техническими требованиями к конкретному преобразователю по динамическим, массо-объемным характеристикам и качеству электроэнергии, Например, если требуется обеспечить высокое быстродействие, точность выходных параметров преобразователя в динамике и одновременно заданное достаточно высокое качество электроэнергии (формы кривой выходного напряжения), то в этом случае необходимо ослабить или полностью исключить фильтры, но увеличить число интервалов и и 1, на Т1 которые разбиваются полупериоды — и Тз —, что обеспечивается увеличением числа ? ячеек делителя напряжения (или делигеля— .. одулятора при fz > f1) и демодулятора наи i.ë:êåíèÿ, Таким образом, применение предлог» ен ного способа в преобразователях, питающихся от однофаэной сети переменного эка, позволяет улучшить динамические хагa òåðèñòèêè преобразователей при одновременном сохранении высокого качества электроэнергии. Формула изобретения Способ преобразования частоты переменного тока, при котором преобразовывают входное однофазное синусоидальное напряжение uv с амплитудой Uvm и частотой fi в квазипрямоугольные напряжения разной величины частотой fz, из которых после преобразования формируют многоступенi t.îå квазисинусоидальное напряжение частотой fz, при этом путем m-кратного повторения этих операций с фаэовым сдви2л ом на — образуют m-фазный выход, m отличающийся тем, что. с целью улучшения динамических характеристик процесса преобразования при сохранении качества выходного напряжения, разбивают каждый полупериод входного напряжения о>, на и одинаковых временных интервалов, где n — целое число, кратное шести, при этом начало первого интервала совпадает с началом полупериода, затем разбивают по уровню напряжение uv на составляющие напряжения и1М на каждом !-м п интервале от второго no — -й, где М вЂ” номер .оставляющей, так, чтобы либо среднее значение каждой составляющей и1М. которую образуют на I-м интервале, где l=2, 3; М= 2, п и п п 3 при п=б и i= — +1, — +2,..., —; М= — -1 6 б "" 2 б +! при и >12, либо сумма средних значений двух составляющих и1м1, и u1Mz, которые одновременно формируют на !-м интервале и и и при п1 2, где I=-2,... —; М1= — — 1+I; м2=— 6 6 б +1-i, были равны разности среднего значения напряжения uv íà i-м интервале и среднего значения его на предыдущем интервале, а на каждом интервале от ( и +1)-го по (n — 1)-й напряжение иу разбивают по уровню так, чтобы либо среднее значение составляющей и1м íà I-м интервале, формирование которой прекращают на !+1-м интервале, где !=4, 5; М=- 1, 2 при п=б и i= +1,.„, — n; М=! — — при п 12, либо сум5 п 6 2 ма средних значений двух составляющи.". о1М1, и1М2 при п 2 íà I-м интервале, фор мирование которых прекращают на I+1-м интервале, где I= — n+1,..., n — 1;М1= — n — I 5 3 б " 2 и М2=! — — были равны разности среднего 2 значения напряжения uv a I-м интервале и среднего значения его на последующем интервале, причем при операции разложения и< на составляющие и1М среднее значение составляющей напряжения с номерами 1,..., и — — 1 равно среднему значению составляю3 щей с номерами соответственно — n-1,. 3 — +1. затем преобразуют частоту f1 формии 3 руемых составляющих и1м в частоту fatti. получая напряжения ог11м, модулированные по амплитуде напряжениями и1М, а затем изменяют мгновенные значения напряжений ог11м частотой f2 в разное в зависимости от М и J число KMJ раз, получая напряжения0!111м, одинаковые при одном и том же .), затем из напряжений U(1M формируют напряжения uT(12J соответствующих величины и частоты f2, выделенные значения по модулю которых на каждом полупериоде Т! — представляют квазипрямоугольные на2 пряжения вида меандр, при этом коэффициенты изменения KMJ задают по выражению UZJcp KMJ= т-,— —, ГАЕ U2Jcp — СрЕдНЕЕ ЭНа— и1Мср чение составляющей о2.! выходного квазисинусоидального напряжения частоты fg на 1656642 21 рабочей части ее полупериода —, полТз учаемой из напряжения итра частотой fz путем преобразования частоты укаэанного напряжения в частоту 1э, а также соответствующего изменения длительности и фазы; О мср — среднее значение составляющей и>м напряжения и> на рабочей части ее полТ упериода — . мгновенное значение на2 пряжения отпа . составляет итпи-ий1м, затем осуществляют формирование многоступенчатого кваэисинусоидал ьного напряжения путем суммирования соответствующих для каждой фазы напряжений игз. 1656642 Ь юл 1 1 1 1 Z O Х 6 т 1656642 IA Рцг.2(продолжение) 1656642 A ЮгаУюм уграУл мчим ллюией Ф-Ж C èè юг Симро ц д цд Я5 Я 37 38 k Ьргам у рЮлжсю кююией 18 8f, ГФ, Г7ЮОЮФ A ®гооМ ра8 жия горючей 17u Ф,Л7иГ/;23 иЖ;ЖиМ; ЖиЛ;ЮГи34 1656642 4Ьг5 Л . ЬщЬм улро&елия лжоией Я; Я.78 75 78, АРФ К &аЬм угрюйвьюя мюрей Ю5 ио7;БЮиЖ ; 71и 7У;7Фи 7b; 77и 7УЩ иЮР;Них Л . ЮгшЬм улаоАуиия ююоиеи 87, УО У396,УУ, Ю8 Л Йооом pa/сия ляюсей Ж и/8;оУиУ1 УРи У4 ;УХйУ7 Ми 1Й7; Ю1иЮУ
