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 и составляющих напряжений квазипрямоугольной формы, сфазированных по основной гармонике, и в последующем их суммировании в выходной цепи. Квазипрямоугольность формы обеспечивается изменением по соответствующему алгоритму коэффициента трансформации, используемого при преобразовании трансформатора , значения которого подчинены определенным условиям. В одной из модификаций вводится промежуточное высокочастотное преобразование. 6 ил. со С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 Н 02 М 5/27

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4620858/07 (22) 19.12.88 (46) 15.06.91, Бюл. М 22 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (72) В.Г. Константинов (53) 621.314.27(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1157628, кл. Н 02 М 5/27, 1984.

Авторское свидетельство СССР

М 1302398, кл. Н 02 М 5/27, 1985.

Быков IO.Ã. Преобразователи частоты для электроподвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями. — Электротехническая промышленность.

Преобразовательная техника, 1980, с. 18 — 28.

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 электроэнергую другой частоты и /или другого числа фаз, и может быть использовано в преобразователях однофазного синусоидального напряжения с промежуточным повышением частоты или без изменения ее в однофазное или многофазное кваэисинусоидальное напряжение в энергетике, автоматике и других отраслях, потребляющих энергию переменного тока.

Цель изобретения — улучшение динамических характеристик процесса преобраэо.. Ю 1656643 À1 (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 иэ однофаэного напряжения и составляющих напряжений квазипрямоугольной формы, сфазированных по основной гармонике, и в последующем их суммировании в выходной цепи.

Квазипрямоугольность формы обеспечивается изменением по соответствующему алгоритму коэффициента трансформации, используемого при преобразовании трансформатора, значения которого подчинены определенным условиям. В одной из модификаций вводится 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 временных

2 интервалîв,соотношеHèÿ частот 1з2 1

f2=f1, трехфазного выходного напряжения и

Тз разбиения полупериода — на 6 временных

2 интервалов; на фиг, 2 — временные диаграммы напряжений для случая разбиения полТ1 упериода — на 12 временных интервалов, 2 соотношения частот fa=2f>, fz=24f>, трехфаз1656643

15 ного изменения частоты изменяют мгновен- 20 ные значения фоомируемых составляющих +.

U1M напряжения U> в разное число К m аэ, полквазипрямоугольное вида меандр. синфазное с Uv напряжение U T2J частотой f1, где М25

30 ного выходного напряжения и разбиения

Тэ полупериода — на 6 временных интерва2 лов; на фиг, 3 и 5 — принципиальные электрические схемы силовой части преобразователей с указанными параметрами для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 4 и 6 — структурные схемы управления указанными преобразователями.

Операции предлагаемого способа осуществляют в следующей последовательности: — разбивают каждый полупериод напряжения О íà и одинаковых временных интервалов; — делят мгновенное значение напряжения U+ на составляющие на каждом интервале: — при преобразовании без промежуточучают измененное напряжение 0)M а затем — номер составляющей напряжения; J — номер составляющей выходного квазисинусоидального напряжения; — при преобразовании с промежуточным изменением частоты сначала производят преобразование формируемых составлЯющих 01рд частотой f1 в напРЯжение 01п1м частотой f2 f1, а затем изменяют мгновенные значениЯ Оя1р частотой fz в

Разное число Раз Крд,1 и полУчают измененные значения 0 п1м, а затем напряжение

0mzJ частотой fz, — преобразуют каждое напряжение

UT2J частотой f1или наряжение UTrl2J частотой f2 в квазипрямоугольную составляющую

UzJ частотой fa квазисинусоидального напряжения, — формируют иэ составляющих U2J кваэисинусоидальное напряжение частотой f3, На фиг, 1а показано разбиение полупеТ1 риода — на 6 одинаковых временных интер2 валов; б — деление напряжения U+ на составляющие напряжения 011, 01г и 01з; в — изменение мгновенных значений напряжений 011-01з в разное число раз, получение напряжений 011 — 01з и формирование из них кваэипрямоугольных напряжений

0Т21-Отгв вида меандр с волнистыми вершинами (напряжения UTzz — UT26 отличаются от UT21 только величиной); г — преобразование напряжений От21-Отге частотой f1 в квазипрямоугольные напряжения U21 — Uz6 частотой Фэ; д — формирование линейных

55 напряжений Одв, Овс, Осд иэ напряжений

Uz1-026 (напряжения Одв, Овс не показаны), Согласно фиг. 16 и принципу деления напряжение О, на первом интервале 0-t1 содержит одну составляющую напряжения

011, мгновенное значение которой равно исходному, т.е. 011=0<, на втором интервале

t1 — t2 — две составляющие напряжения 011 и

U1z, сумма которых равна исходному напряжению, т.е. U11+012=0„, на третьем tz-1з и четвертом тэ†- 14 интервалах — три составляющие U11, U12 и 01з, сумма которых равна -исходному напряжению, т. е.

011+012+013=Uy. на пятом интервале 14-t5 две составляющие U11 и Utz, сумма которых равна исходному 0<, т.е. 011+U1z--U>, а шесТ1 том интервале t5 — — — одну составляющую

011, равную исходному значению, т.е.

011 = U . При этом среднее напряжения U11, которое образуется на первом интервале, равно среднему значению напряжения U< на этом интервале, т е. U11cp=U(Q среднее значение составляющей напряжения U12. образующейся на втором интервале, равно разности средних значений 0 на втором и первом интервалах, т е. 01з,р= ыЯ вЂ” тЗД, и остается постоянным на интервалах формирования tz. tJ, t4 и t5. среднее значение составляющей напряжения 01э. образующейся на третьем интервале, равно разности средних значений напряжения 0 на 3 м и 2 м интервалах, т е.

01зяр=0Д вЂ” 0(ф, и остается постоянным на интервалах формирования 1з и t4, среднее значение составляющей напряжения

U12, формирование которой прекращается на 6-м интервале. равно разности средних значений О„ на 5-м и 6-м интервалах, т.е.

U12cp = Яф - отта. среднее значение напряжения 01э, формирование которого прекращают на 5-м интервале, равно разности средних значений 0> на 4-м и 5-м интервалах, т.е. Un p=U(cc\ — 0Я . а среднее значение напряжения 011, для которого 6-ч интервал является последним интервалом формирования, равно О11ср- 0Я °

Мгновенные значения сОставляющих напряжений 011, Utz, 01э согласно фиг. 1в изменяют и формируют из измененных напряжений квазипрямоугольные. синфаэные

С Uv напряжЕния UT21 UT26 ксличЕСтВО кОторых определяется числом составляющих трехфазной системы квазисинусоидальных напряжений частотой fg (шесть на фиг. 1).

Мгновенные значения напряжений U11, 012, 1656643

Utg изменяют для формирования напряжения UT21 показанного на фиг. 1в, в К», Kzt и Кз1 раз, получая одинаковые напряжения

011(1),Uiz(t),01з(1), равные Uxzt на соответствующих интервалах, для формирования напряжения Отг2 в Ktz, К22 и Кзг раз, получая одинаковые напряжения

031(2),032(2),0)з(2), равные UT22. Аналогично изменяют составляющие напряжения Uv и для формирования остальных напряжений

От2з — От26. При этом каждый коэффициент изменения напряжения равен отношению среднего значения формируемого напряжения От2д за полупериод —, равного средTi 15

2 нему значению кваэипрямоугольного напряжения Uzg частотой 1з на рабочей часТз ти полупериода —, являющегося состав2 20 ляющей выходного квазисинусоидального напряжения, к среднему значению изменяемого напряжения на рабочей части полупеТ1 риода — . Ток, обусловленный каждым из

2 25 напряжений Urzt — От26, равен сумме приведенных токов, обусловленных теми измененными составляющими напряжения U>, которые участвуют в данный момент времени в формировании каждого из указанных 30 напряжений. Следовательно, суммируемое число приведенных токов зависит от номера интервала.

В соответствии с фиг. 1г преобразуют синфазные напряжения От21-От26 разных 35 величин и частотой f t в квазипрямоугольные наряжения Uzt — U26 частотой з разных фаз и одной и той же величины, что и напряжения соответственно Unt-От26. Формируют линейные многоступенчатые квазисинусои- 40 дальные напряжения частотой fa:UAB — из напряжений 021, 022 025 и 026, UBc -из

02з — 026; UCA — из 02 t— - 024(ОАв и Овс на фиг.

1д не показаны).

На фиг. 2а показано разбиение полупе- 45

Т риода — на 12 одинаковых временных

2 интервалов; б — деление напряжения U на составляющие U t t — U t6; в — преобразование частоты ft составляющих напряжений Utt- 50

U16 в частоту fz, f2=24ft и получение напряжений 0011 Unt6; г — изменение мгновенных значений напряжений UB»Оп16 частотой fz в разное число раз, получе1 ние напряжений Оп»-Опы и 55 формирование из них напряжений UmztОтп26 частотой fz (напряжения Отпгг-Отпгб отличаются от Urmt только величиной ); д— преобразование напряжений Отп21-Отп26 частотой fz e квазипрямоугольные напряжения с волнистыми вершинами Uzt-Uz6 частотой f3, fg=2ft; е — формирование линейных напряжений UAB — из напряжений Uzt, U22, U25 и 026; Овс —.иэ напряжений 02з-026 UcA — из напряжений U21 U24 (UAB. UBc на фиг.

2е не показаны), Согласно фиг, 2б и принципу деления напряжение Uv на 1-м интервале 0-tt содержит одну составляющую напряжения

Utt. равную О»=0, на втором интервале

t1 — 12 — две составляющие напряжения О» и

U12, сумма которых равна исходному напряжению, т.е, Utt+Utz=Uv, на третьем tz-ta, четвертом t8-t4, пятом t4-с5, шестом t5 — t6 интервалах число составляющих растет соответственно до трех, четырех, пяти и шести и сумма их на каждом интервале также равна напряжению Uy, На седьмом интервале

t6 — t7 сумма и число составляющих такие же, как и на шестом. Далее количество составляющих на интервалах восьмом tz — t8, девятом t8-t9, десятом t9-с1о, одиннадцатом

t to-t t1 падает соответственно до пяти, четырех, трех и двух и сумма составляющих равна напряжению 0<. На двенадцатом

Т1 интервале ttt — —, напряжение Uv содер2 жит одну составляющую О», т,е. 0»еаU .

При этом среднее значение напряжения

U t t, которое образуется на первом интервале; равно среднему значению напряжения

U, на этом интервале, т.е. U11 р= са О и остается постоянным на интервалах от t-го до 12-го, среднее значение напряжения U tz, образующееся на втором интервале, равно разности средних значений напряжения Uv на втором и первом интервалах, т.е.

u1e,р=ОЯ вЂ” О и остается постоянным на

1 интервалах от второго по одиннадцатый, средние значения напряжений Utç, 0t4, 015 и 016, образующиеся соответственно на 3м, 4-м, 5-м и 6-м интервалах, равны и „=о@-иЯ: и „=ud$-о3 ип р=ОЯ вЂ” Аф . 0ы я--ОЯ вЂ” UQ и остаются постоянными на интервалах с 3-го по

10-й, с 4-го по 9-й, с 5-го по 8-й, с 6-го по 7-й.

Средние значения напряжений 016, 015, О t4, 013и U12, формирование которых прекращается соответственно на 8 — м, 9 — м, 10-м, 11 — м, 12 — м интервалах, рав"use„= ОД вЂ” ud5:use„= ОД вЂ” uPJ.

Ut2cp = 0>cp — U cp ДВЕНадцатЫй ИНтЕр ,1, вал является последним интервалом формн рования нап ряжения О», поэтом;

011,р = ud et — От с.. напряжения uit-u> частотой ft преобразовывают согласно фиг

1656643

2в в напряжения Оп11 — Uncs частотой 12, fz=24f1 с теми же мгновенными абсолютными значениями, что и напряжения 011 — 016.

Мгновенные значения напряжений

Оп11-Uncs, как это показано на фиг, 2г, изменяют и из измененных напряжений Un»вЂ”

Uncs с паузами той же длительности, что и в напряжениях Uii-Uè (от 0 до — Т1), фор5

12 мируют напряжения UT1121 — Umze беэ пауз частотой fz, каличЕСтвО кстОРых определяется числом составляющих трехфаэной системы квазисинусоидальных напряжений частотой fg (шесть на фиг. 2д). Мгновенные значения напряжений Оп11 — Оп16 изменяют для формирования напряжения Umz1 в К11К61 раз, получая одинаковые напряжения 0511(1)....Оп1б(1) равные Отпг1. для формирования Umzz в К12 — К62 раз, получая одинаковые напряжения 041(г),...,UA1s(z), равные UTflzz Аналогично изменяют Оп11Оп16 для формирования остальных напряжений Отпгз-Отпгв, При этом каждый коэффициент изменения напряжения равен отношению среднего интегрального абсолютных значений формируемого напряжения, равного среднему значению квазипрямоугольного напряжения частоты

Тз

fa на рабочей части полупериода —, явля2 ющегося составляющей квазисинусоидального напряжения, к среднему значению соответствующей составляющей напряжеТ1 ния Uv на рабочей части полупериода — .

Ток. обусловленный каждым из напряжений

Um21 — Отпгв,равен сумме приведенных токов, обусловленных теми измененными составляющими из Ог111 — Ог116, 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. 2д преобразуют напряжения Um21- Um26 разной величины и частотой 12 в кваэипрямоугольные напряжения 021 — Uz6 частотой fa и разных фаз, по величине соответствующие напряжениям

Отпг 1-0тпгв.

Согласно фиг. 2е формируют многоступенчатые квазисинусоидальные линейные напряжения частотой fg; Одц — из напряжений 021, 022, 025 и 026; Овс — иэ напряжений

U23-026; Осд — из напряжений U21 024.

В случае fz-f1, разбиения полупериода — на шесть временных интервалов (I=á), Тз

15

1 более низкой частоты на выходе fg-- — f1 и

Т1 разбиения полупериода — также на

2 шесть временных интервалов (п=б) для того, чтобы удовлетворялось приближенное условие квазисинусоидальности выходного наТ1 пряжения: п I -, предложенный э способ может быть осуществлен устройством, пример принципиальной электрической схемы силовой части которого показан на фиг, 3.

Устройство содержит один транформатор 1 с тремя первичными 2 — 4 и шестью вторичными 5-10 обмотками. Последовательно с перви ными обмотками 3 и 4 включены рабочие выводы ключей 11 и 12 переменного тока. Параллельно цепи: обмотка 3- ключ 11 подсоединен ключ 13 переменного тока, параллельно цепи обмотка

4 — ключ 12 включен ключ 14. Обмотка 2 и указанные цепи обмоток 3 и 4 и ключей соединены последовательно и включены на напряжение Uy. Вторичные обмотки 5-10 своими выводами соединены с рабочими выводами ключей переменного тока соответственно. обмотка 5 — с ключами 15 и 16, обмотка б — с ключами 17-19, обмотка 7 — с ключами 20 и 21, обмотка 8 — с ключами

22 — 24, обмотка 9 — с ключами 25 и 26, обмотка 10 — с ключами 27 — 29, Вторые выводы двух или трех ключей, связанных с одной и той же вторичной обмоткой, образуют один выходной вывод демодулятора (ДМ). Вторым выходным выводом ДМ является средний вывод вторичной обмотки. Два последовательно соединенных ДМ с обмотками 5, 6 образуют фазу А; с обмотками 9 и

10 — фазу В с обмотками 7 и 8 — фазу С, Согласно структурной схеме на фиг. 4а система управления ключами 11 — 14 содержит задающий генератор 30, управляющий кольцевой пересчетной схемой 31, примененной в качестве фазорасщепителя. Выходные напряжения узла 31 суммируются в сумматоре 32, затем выпрямляются в детекторе 33 и подаются на управляющие входы ключей 11-14. Задающий генератор 30 синхронизируется источником переменного тока. На фиг. 4б показана структурная схема системы управления ключами 15-32, которая содержит задающий генератор 34, синхронизируемый в случае необходимости (для снижения коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения) источником переменного тока частотой f1, кольцевую пересчетную схему 35 в качестве фазорасщепителя, к трем выходам которой

1656643

10 нию

50 принимается равным

55 подключены первые входы фазоимпульсных модуляторов 36 — 38, вторые входы которых соединены с выходом формирователя

39 прямоугольного напряжения, включенного на выводы источника переменного тока частотой f>. Выходы модуляторов подключены к управляющим входам (попарно) ключей 15, 16, 20, 21, 25 и 26, Остальные три выхода узла 35 соединены с входами двух сумматоров 40 и 41 с выходными напряжениями различного заполнения частотой fg. С первого сумматора выходные напряжения подаются через детектор 42 на управляющие входы ключей 18, 23 и 28, а с второго сумматора выходные напряжения подаются на первые входы фаэо-импульсных модуляторов 43-45, вторые входы которых соединяются с выходом формирователя прямоугольного напряжения "меандрн 39, включенного на напряжение Uy, Выходы модуляторов подключены к управляющим входам пар ключей 17 и 19, 22 и 24, 27 и 29, Tt

Разбиение каждого полупериода

2 на шесть временных интервалов, как это показано на фиг,.1а, осуществляется ключами 11-14 переменного тока в соответствии с временными диаграммами напряжений управления Uy)t-Uy)4 (фиг, 1е). На первом интервале О-tt, начало которого совпадает

Т1 с началом полупериода — (фиг. 1а), клю2 чи 14 и 13 замкнуты, а ключи 11 и 12 разомкнуты и обмотка 2 включена на напряжение Uy. На втором интервале t> — тр размыкается ключ 13, замыкается ключ 11 и возросшее напряжение Uy делится между последовательно соединенными обмотками

2 и 3. Поскольку отношение чисел витков обмоток 3 и 2 выбирается равным отноше= V3, то среднее эначение напряжения Utg

Utzcp=U5) U5) =E3LItt,р. На третьем интервале tz — сэ размыкается ключ 14, замыкается ключ 12 и еще большей величины напряжение Uy делится между последовательно соединенными обмотками 2 — 4. Поскольку отношение витков обмоток 4 и 2 среднее значение напряжения 01зср на обмотке 4 равно 0 а,р= Ор"р — LI5,ta = Litt р тта четвертом интервале з — t4 состояние кл ючей не меняется. поскольку среднее значение напряжения 0 такое же, как и на третьем интервале, поэтому остаются вклю10

45 ченными на напряжение U три обмотки 24. На пятом интервале tp tq напряжение Uy меньше, размыкается ключ 12, замыкается ключ 14, исключается иэ цепи последовательно включенных обмоток обмотка 4, напряжение Uy делится между обмотками 2 и

3, При минимальном напряжение О, на шеТ1 стом интервале t5 — — разомкнут ключ 11, 2 замкнут ключ 13 и напряжение Uy приложено к одной обмотке 2.

Формируемую составляющую напряжения Uy представляет напряжение на обмотке на тех интервалах, на которых к обмотке приложены часть или полное напряжение

Uy. На остальных интервалах вследствие трансформаторной связи имеется наведенное напряжение на отключенной от напряжения Uy обмотке, однако она не участвует в передаче энергии из первичной цепи во вторичную. Составляющие U >, 0>z, 01з напряжения О, показаны на фиг. 1б.

Изменение мгновенных значений составляющих напряжения U, осуществляется также трансформатором, при этом в соответствии с изложенным принципом действия, как это показано на фиг. 1в, получаются одинаковые измененные значения, 1 соответствующих составляющих 01 на каждом интервале(01 и 04 на втором интервале, UI t 0)2 01э 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 напряжения Uy, 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 и и+1 одной до — (четное n) или — — — (нечет2 2 ное и) обмоток, через которые передается энергия иэ сети в обмотку 5. Поэтому сформированное напряжение на вторичной обмотке От 1 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 Utz на обмотке 5. Сформированное напряжение обмотки 5 получается квазипрямоугольной формы и оно тем ближе к прямоугольному, чем больше число интервалов в полупериоде. Такой же формы, но

1656643

12 другой величины являются сформированные напряжения 0122-0126 на остальных вторичных обмотках 6 — 10, Преобразование напряжений на обмотках 5-10 частотой fl в кваэипрямоугольные напряжения Uzl-U26 частотой 13 с разными фазами и паузами осуществляется - помощью шести демодуляторов, выполненных на ключах 15 — 29, В результате сложения выходных напряжений демодуляторов (Uz lUz6, фиг. 1г) образуются три линейных квазисинусоидальных напряжения, одно из которых (Uca) показано на фиг. 1д. Средние значения напряжений U21 — U26 на рабочей

Т3 части полупериода —, обозначаемые

U2vcp, связаны с амплитУДой основной гаРмоники выходного линейного напряжения преобразователя О п,1, числом временных интервалов 1 и номером группы 1, обьединяющей вторичные обмотки трансформатора с одинаковым числом витков, следующим уравнением:

Uvcp =Одщ1 pCOS2 (V 1 + — )/3;

v=1;

0 zvcp= 20nml р COS2 (Р— 1 + — ) ф — > 1 ) 1, 1 1

6 3

В преобразователе 1=6 обмотки 5, 7 и 9 входят в группу с v =1, а обмотки 6, 8 и

10 — в группу с v =2, Если на выходе преобразователя требуется одна фаза, достаточны четыре вторичные обмотки с напряжениями, например, От23 — От26 и четыре демодулятора на ключах

20 — 29 с выходными напряжениями U23 — 026.

Возможно уменьшение числа обмоток и демодуляторов до трех, Однако в этом случае увеличивается количество их исполнений с двух до трех.

На входы ключей 11 — 14 подаются упРавлЯющие напРЯжениЯ Uyll Uy14 частотой

2f1 (фиг. 1е), образованные с помощью узлов

30-33 (фиг. 4а) и представляющие собой абсолютные значения сумм или разностей выходных напряжений кольцевой пересчетной схемы Ucp.12, Ucp.lз, Ucp.15 и Ucp.16 вида меандр:

0 yll =- fUcplz Ucp161

U у12 = 1 Ucp13 Ucp15.!

U уlз .IUcplz+ Ucp16 t

U у14 = fUcp13+ Ucp15f °

Ключи 15, 16, 20, 21, 25 и 26 трех демодуляторов управляются напряжениями

Uy15, Оу16, Uy20, Uy21, Uy25, Uy26, представляющими собой модулированные по фазе напряжения (фиг. 1ж), модулируемой функцией является напряжение прямоутольной формы (вида Mea AP) Ucp,n формирователя 39, синфазное с напряжением U„, а модулирующими функциями — выходные напряжения кольцевой пересчетной схемы

5 Ucp 21, Ucp 23, Оср 25 таКжЕ ВИДа МЕаНДР И частотой 13. Укаэанные напряжения управления равны;

U у15 = Uy16 =2 Оср21 Ucp.Ï;

0 yzO = -Оу21 =2 Ucp23 Ucp.П

10 U у25 = Uy26 =2 Ucp25 ° Ucp.П:

Ключи 18, 23 и 28 остальных демодуляторов управляются напряжениями Оу18, Uy23 и Uy28, которые образуются после детектирования сумм или разностей напряже15 НИй Ucp 22 Оср 24. Ucp 26 КОЛ ЬЦЕВОй пересчетной схемы (фиг. 1ж). Эти напряжения управления равны;

0y18 = t Ucp 22 + Ucp 261;

Uy23 = t Ucp 24 Ucp 221;

20 Uy28 = 1Оср 26 Ucp 24 1

На входы ключей 17, 19, 22, 24, 27 и 29 йоДаютсЯ напРЯжениЯ УпРавлениЯ Оу17, Оуl9, Оу22, Оу24, Оу27, Uyzg, представляющие модулирование по фазе напряжения (фиг.

25 1ж), модулируемым является напряжение

ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ Ucp л ЧаСтстсй <1, МОдулирующими — выходные напряжения сумматора 42 частотой f3, равные сумме или раЗНОСтИ НаПряжЕНИй Ucp 22, Ucp 24, Оср 26

30 кольцевой пересчетной схемы 35. Указанные напряжения управления равны;

Оу17 = Uy19 = (Оср 22 Ucp 26) ° Ucpn;

Оу22 = Оу24= (Ucp 24 +Оср 22 ) ОсрП;

Uy27 = Uy29 = (Ucp 26+Ucp 24 ) Ucpn .

35 В случае промежуточного повышения частоты от fl до 12 (например, 12=2411 ),более высокой частоты на выходе (например, ТЗ

f3 = 2f 1), разбиения полупериода — на

40 шесть временных интервалов и в соответствии с этими данными для того, чтобы выполТ1 нялось условие п 1 —, разбиения

ТЗ

Т1

45 полупериода — на 12 временных интер2 валов, предложенный способ может быть осуществлен устройством, пример принципиальной электрической схемы силовой части которого показан на фиг. 5.

Устройство содержит один трансформатор 46 с шестью первичными обмотками 4752 и шестью вторичными 53-58. Первичные обмотки своими началом, средним выводом и концом соединены с рабочими выводами ключей переменного тока соответственно: обмотка 47 — с ключами 59 и 60, обмотка

48 — с ключами 61 — 63. обмотка 49 с ключами

64, 65 и 66, обмотка 50 — с ключами 67, 68 и

69, обмотка 51 с ключами 70-72, обмотка 52

1656643

14 — с ключами 73 — 75. Вторыми выводами каждые два или три ключа соединены друг с другом и образуют один входной вывод каждого модулятора напряжения, вторым входом его является средний вывод вторичной обмотки. Шесть модуляторов напряжения соединены своими входами последовательно и включены на напряжение 0 . Вторичные обмотки соединены с ключами 76-90 переменного тока и образуют шесть демолуляторов, соединенных между собой по такой же электрической схеме, как и показанная на фиг. 3.

Система управления ключами 59-75 согласно структурной схеме на фиг. 6а содержит задающий генератор 91. синхронизируемый источником переменного тока, делитель 92 частоты, управляющий кольцевой пересчетной схемой 93, примененной в качестве фазооасшепителя. Выходные напряжения ее вида меандр частотой

f1 в одном канале суммируются в сумматоре

94, затем его выходные напряжения выпрямляются в детекторе 95 и подаются на управляющие входы ключей 62, 65, 68, 71 и

74, а во втором канале суммируются в сумматоре 96, его выходные напряжения. а также одно из выходных напряжений звена 93 подаются на первые входы шести ячеек 97102 фазо-импульсных модуляторов, вторые входы которых соединяются с выходом задающего генератора 91, Выходы этих модуляторов подключаются к управляющим входам (попарно) ключей 59.и 60, 61 и 63, 64 и 66, 67 и 69, 70 и 72, 73 и 75. На фиг. 66 показана структурная схема системы управления ключами 76-90, которая содержит задающий генератор 103, синхронизируемый (при необходимости) источником переменного тока и управляющий кольцевой пересчетной схемой 104. Три выходных напряжения ее вида меандр частотой fz подаются на первые входы трех ячеек

105-107 фаэо-импульсных модуляторов, вторые входы которых соединены с выходом задающего генератора 91. Выходы модуляторов подключены к управляющим входам (попарно) ключей 76 и 77, 81 и 82, 86 и 87. Остальные три выходных напряжения звена 104 в одном канале суммируются в сумматоре 108. затем его выходные напряжения выпрямляются в детекторе 109 и подаются на входы управления ключей 79, 84 и

89, во втором канале выходные напряжения звена 104 суммируются в сумматоре 110. а его выходные напряжения подаются íà первые входы трех ячеек 111 — 113 фаэо-импульсных модуляторов, вторые входы которых соединены с выходом звена 91. Выходы модуляторов подключены к управляющим входам (попарно) ключей 78 и 80, 83 и 85, 88 и 90, Т1

Разбиение каждого полупериода

2 напряжения U, на 12 временных интервалов, как это показано на фиг, 2а, осуществляется ключами 59-75 переменного тока в

10 соответствии с временными диаграммами напРЯжений УпРавлениЯ Uy59 Uy75 (фиг. 2ж).

На первом интервале 0-t1 замкнуты поочередно ключи 59 и 60 (половину интервала каждый) и постоянно ключи 62, 65. 68, 71 и

15 74, а разомкнуты поочередно ключи 60 и 59 и постоянно — остальные ключи с номерами в указанных пределах. Следовательно, входное напряжение 0» на фиг. 26 первого модулятора напряжения равно напряжению

20 0, Это входное напряжение поочередно с частотой f2 прикладывается к левой и правой секциям обмотки 47. поэтому напряжение их имеет повышенную частоту, f2 (напряжение Un» левой секции на фиг. 2в).

25 Таким образом осуществляется преобразование напряжения 0»=UU частотой ft в напряжение 0 » частотой f2. На втором интервале t1 t2 замкнуты поочередно ключи

59 и 60, 61 и 63 и постоянно ключи 65. 68, 71, 30 74, а разомкнуты поочередно ключи 60 и 59, 63 и 61 и постоянно — ключи 62, 64, 66. 67, 69. 70, 72, 73 и 75. Напряжение 0 делится между входными напряжениями 0» и U12 частотой 01(см. фиг. 26) первого и второго

35 модуляторов, которые одновременно преобразуют указанные напряжения в напряжения соответственно Un». Un12 частотой f2 (на фиг. 2в напряжения левых секций обмоток 47 и 48). Поскольку средние значения

40 напряжения О» на первом и втором интервалах одинаковы. то есть 06р — — ЫЯр, а отношение чисел витков обмоток 48 и 47 принимается равным отношению иЯ- U(3

= K1 то среднее значение

0 с напряжения 012 равно 012ср= вОт,р — Ufc)=KIUll ð. 0llcp=U@. На третьем интервале t2-тз замыканием и размыканием соответствующих контактов обеспечивается деление напряжения 0| между входными напряжениями: О» — 01з частотой f1(фиг. 26)

1-го. 2-ro и 3-го модуляторов, на выходах которых образуются напряжения 0л»-0п1з частотой f2 (на фиг, 2в, напряжения левых секций обмоток 47-49). Поскольку средние значения входного напряжения каждого модулятора одинаковы на всех интервалах, а отношение чисел витков обмоток 49 и 47

1656643

16 иД- и(Я иД принимается равным

55 то среднее значение напряжения 01э равно и зтр=иЯ вЂ” иЯ =KpU«cp. Не четееЕтом. пятом и шестом интервалах по указанному принципу определяют отношения чисел витков обмоток соответственно 50 и 47, 51 и 47, 52 и 47 и находят средние значения напряжений 014 — U16. а значит мгновенные значения укаэанных напряжений, а также напряжений 0»4 — 0»6 (фиг. 2б, в). На седьмом интервале состояние всех ключей не меняется, поскольку среднее значение Uy такое же, как на шестом интервале. Поэтому напряжение Uy делится между всеми шестью модуляторами. На восьмом-одиннадцатом интервалах посредством соответствующего переключения ключей изменяется число модуляторов, включенных своими входами последовательно на напряжение Оо, в пределах от пяти на восьмом интервале до двух модуляторов на одиннадцатом. Таким образом, можно найти мгновенные значения входных и выходных напряжений всех модуляторов на седьмом — двенадцатом интервалах (см. фиг.

2б, в).

Изменение мгновенных значений составляющих 01 напряжения 0 после преобразования их частоты f1 в частоту fz u образования таким образом напряжений

О»< производится с помощью трансформатора 46. При этом получаются одинаковые измененные значения соответствующих составляющих напряжений частотой fz на каждом интервале (Ог111 и 042 на втором интервале, Ог111 — Un13 на третьем интервале и т.д.,фиг. 2г), приложенных к одной и той же вторичной обмотке (например. 53 на фиг. 5). Число модуляторов, входные напряжения которых являются составляющими напряжения Uy, различно на разных интервалах и меняется от одного на первом интервале до шести на шестом, а затем от шести на седьмом интервале до одного на двенадцатом, т,е. всегда имеется от одного и и+1 до — (четное и) или 2 (нечетное п) модуляторов, через которые передается энергия из сети в обмотку 52, Поэтому сформированное напряжение на вторичной обмотке UT021 не имеет пауз, а является непрерывной временной функцией с частотой fz. Так как среднее значение входного напряжения каждого модулятора одинаково на всех интервалах рабочей части полТ1 упериода — . одинаковыми на всех

50 интервалах являются средние интегральные абсолютных значений напряжения на обмотке 53. Напряжения Umzz-Um26 на остальных вторичных обмотках 54 — 58 также являются непрерывными временными функциями и отличаются от напряжения на обмотке 53 только величиной, Преобразование напряжений Отп21Umz6 частотой fz на обмотках 53-58 в квазипрямоугольные напряжения U21 — U26 частотой fg разных фаз и длительностей рабочей части полупериода — (фиг. 2д) ocyTà

2 ществляется с помощью шести демодуляторов, выполненных на ключах 76—

90. Средние значения напряжений U21 — 026

Тэ на рабочей части полупериода — опреде2 ляются из приведенного уравнения, В результате сложения соответствующих выходных напряжений демодуляторов образуются три линейных квазисинусоидальных напряжения, одно из которых (Осд) показано на фиг. 2е..

Возможно также построение преобразователя с однофазным выходным напряжением, имеющего, как указывалось выше, меньше вторичных обмоток и демодуляторов, а значит и ключей.

На входы ключей 62, 65, 68, 71, 74 модуляторов подаются управляющие напряжения с соответствующими индексами (фиг.

2ж),которые образуются после выделения в детекторе 96 (фиг, 6а) абсолютных значений выходных напряжений сумматора 94. Напряжения управления

U у62 1 0 ср12 + Ucp112 t;

U y65=lU cp13+ Ucp111 l:

0 y68 =lU cp14+ Ucp110l

U y71=lU cp15+ Ucp19 l:

U y74 =1U со16+ Ucpi8 : гДе Ucp12 — Vcp112- выхоДные напРЯжениЯ вида меандр кольцевой пересчетной схемы 93.

Остальные ключи модуляторов (59, 60, 61, 62„.,73, 75) управляются прямоугольными напряжениями вида меандр частотой fz, модулированными по фазе выходным наПряжЕНИЕМ Оср 11 ЭВЕНа 93 И ВЫХОДНЫМИ Напряжениями сумматора 96 частотой f1:

U1K12 = U ср12 — Ucp112:

0 1з = 0 ср1э — Ucp111, 0 р14 0 ср14 — Ucp110:

0 15 = 0 ср15 — Оср19;

Ug16= U ср16 — Ucp18:

Фаэо-импульсная модуляция осуществляется в ячейках 97-102, на входы каждой ячейки подаются прямоугольные напряжения U>r1 частотой fz и одно из напряжений

1656643

50 электроэнергии.

011, Ug12 U+i6 частотой 11, выходное напряжение каждой ячейки равно произведению входных напряжений (фиг, 2ж).

На входы ключей 76, 77, 81, 82, 86 и 87 демодуляторов подаются напряжения упРавлениЯ Uy76, Оу77, Оув1, Uy82, Uy86, Оув7 (фиг. 2л), образованные на выходе ячеек

105-107 (фиг. 6б) и представляющие собой выходные прямоугольные напряжения частотой f2 звена 91, модулированные по фазе выходными напряжениями кольцевой переСЧЕтНОй СХЕМЫ 104 Ucp 21, Ucp23 И Оср 25 ЧаСтотой f3. Напряжения управления равны

U у76»- U у77 20cp21 ° ОзГ1

U у81=- 0 у82 20ср23 ОзГ1;

U y86=- 0 y87=2Ucp25 ОзГ1.

На входы ключей 79, 84 и 89 демодуляторов подаются напряжения управления

Uy79. Оу84 и Оув9, показанные на фиг. 2л, которые образуются после выделения в детекторе 109 абсолютных значений выходных напряжений сумматора 108.

Напряжения управления

0 y79= !0 cp22+ Ucp26 (;

U y84= (U ср24 Ucр22 f:

0 y89= I U ср26 Ucp24(ГАЕ Ucp 22, Ucp 24 И Ucp 26 — ВЫХОДНЫЕ НаПряжения звена 104.

Ключи демодуляторов 78, 80, 83, 85, 88 и 90 управляют выходными прямоугольными напряжениями частотой f2 звена 91. модулированными по фазе выходными ,прямоугольными напряжениями частотой f3 звена 110, равными

Ug 22 = 0 ср22 0 ср26

0 24 = U cp24 + Ucp22:

0 26 = U ср26 + U ср24

Напряжения управления составляют

О y78= — 0 y80= +22 ° ОзГ1 .

U у83= U ув5= 0 24 ОзГ1

U увв» U у90= 0 26 ° ОэГ1

При большем числе временных интерТ1 валов и в полупериоде — растет число

2 первичных обмоток трансформатора (фиг. 3 и 5) согласно уравнению m= — (четное n) п

2 и+1 или m= — (нечетное n) и, следователь2 но, число ключей, включающих и выключающих обмотки, В структурных схемах систем управления (фиг. 4а и 6а) изменяются соответственно с изменением и и количество ключей, коэффициент пересчета, равный п, и число выходов кольцевых пересчетных схем, а также сумматоров. детекторов и число ячеек фазо-импульсной модуляции. При увеличении числа временных интервалов в

Тз полупериоде — увеличивается число вто2 ричных обмоток d и связанных с ними демодуляторов согласно уравнению d»l и. следовательно, количество ключей, включающих и выключающих обмотки. В структурных схемах систем управления (фиг. 4б и 66) изменяются соответственно с изменением I и число ключей, коэффициент пересчета, равный I, и количество выходов кольцевых пересчетных схем, а также сумматоров, детекторов и количество ячеек фазо-импульсной модуляции.

Предложенный способ преобразования частоты позволяет применять простые схемы, комплектуемые известными функциональными узлами и элементами. Способ осуществляет промежуточное преобразование переменного однофазного напряжения не в постоянное. а в переменное однофазное напряжение другой формы той же или повышенной частоты, что позволяет исключить фильтры или значительно уменьшить их установленную мощность. Необходимость применения фильтров или их отсутствие обусловливается техническими требованиями к конкретному преобразователю по динамическим, массо-обьемным 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 I, на которые разбиваются

Т1 Тз полупериоды — и —, что обеспечи2 2 вается увеличением числа ячеек делителя напряжения (или делителя — модулятора при

f2>f>) и демодулятора напряжения.

Таким образом применение предложенного способа в преобразователях, питающихся от однофазной сети переменного тока, позволяет улучшить динамические характеристики преобразования при одновременном сохранении высокого качества

Формула изобретения

Способ преобразования частоты переменного тока. при котором преобразовывают входное однофаэное синусоидальное напряжение Оч с амплитудой О п и частотой

f1 в квазипрямоугольные напряжения разной величины частотой f2, иэ которых после преобразования формируют. многоступен1656643

19 чатое квазисинусоидальное напряжение частотой 1з, при этом путем m-кратного повторения этих операций с фазовым сдвигом на

2.1г — образуют m-фаэный выход, о т л и ч а юП1 шийся тем, что, с целью улучшения динамических характеристик процесса преобразования при сохранении качества выходного напряжения, разбивают каждый полупериод входного напряжения 0у Hà и одинаковых временных интервалов, где и— целое число, при этом начало первого интервала совпадает с началом полупериода, затем разбивают по уровню напряжение U„ на составляющие напряжения U1M на кажи дом -м интервале от второго по — -й при

2 и+1 четном и и по 2 -й при нечетном и, где номер составляющей М =1, так, чтобь; сред- ес значение составляющей U1M, которуго образуют на 1-м интервале, было равно разности среднего значения напряжения на I-м интервале и среднего значения его на предыдущем интервале, а на каждом интервале от (— + 1 ) — го по (n — 1) -й при и

2 етном и и от () — го по (n — 1) -й при и +3., „ечетном и разбивают по уровню это напряжение U> так, чтобы среднее значение составляющей 01М íà I-м интервале, где

M =- и+ 1 — i,- формирование которой прекращают на (!+1)-м интервале, было равно разности среднего значения напряжения

Uv íà I-м интервале и среднего значения его на последующем интервале, затем преобразуют частоту f1 формируемых составляющих U1M вчастоту 12 11, получая напряжения 0п1м, модулированные по амплитуде напряжениями UIM а затем изменяют мгновенные значения напряжений 0п1м частотой f2 в разное в эависимостиот М иЛ число Кму раз, получая напряжения

0г11м, одинаковые при одном и том же J, затем иэ напряжений 04м, формируют напряжения 0тп21 соответствующей ввеличины и частоты 2, выделенные значения по модулю которых на каждом

Т1 полупериоде — представляют квазипря2 моугольныЕ напряжения вида меандр, при этом коэффициенты изменения К му задают

0 2уср

ПО ВЫражЕНИЮ Кму- . ГдЕ U 2ycp—

U1Mcp среднее значение составляющей 02 выходного квазисинусоидального напряжения частоты 1з на рабочей частоте ее полупериТз ода —, получаемой из напряжения

Отп2 частоты f2 путем преобразования частоты укаэанного напряжения в частоту

1з, а также соответствующего изменения . Длительности и фазы, 01 ср — сРеДнее значение составляющей U1M напряжения 0 на

Т1 рабочей части ее полупериода —, а мгно2 венное значение напряжения U тп2.1 составляет U тп2з = 01111м, затем осуществляют формирование упомянутого многоступенчатого квазисинусоидального напряжения путем суммирования соответствующих для каждый фазы напряжений

U2q

1656643

1656643

1656643

Х Жгодом урта&еиия д 30 > Я Л клеей

11-УФ

Л . А Рд 7М уюдИюежая ЮбОЧРФ

АУ, РЯ,Р8

Л А Огум ура&жия ,мюрей

17)3, 2, @fan;

27, 2У

A Ьайм улрМюа я

4ю/ОуеФ

У,ЖРО Z;f

25Ж

1656643 я бдим у ааблелия

wnwc ed

68, Я;66 т, 7а

/(ЮгаРам улд бялая ляю еа

Ы6ПГ7

SOS 66, 67, 6У, 70

7 7У, 7б он

eius и 7677

6,67 ,Г бгийж улаабленая

+rtA7VPU

7У,Уи,гУ

Л,Згааам у скЖю ия ,юючеа

7б,ж7,Н, ss +Jd

Cuerlx лйй и

ФЫЕ

Составитель Г, Мыцык

Редактор Л. Пчолинская Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор С. Шевкун

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

Заказ 2056 Тираж 3В8 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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