Преобразователь частоты

 

Использование: в электротехнике для преобразования частоты переменного тока по принципу преобразования биений напряжения. Сущность изобретения: устройство содержит каскадный преобразователь, две асинхронные машины 2,3, вентильный коммутатор 15 в виде трех трехфазных полупроводниковых ключей 18, 19, 20. Блок выделения несущей частоты 16 соединен с распределителем сигналов управления 17. В качестве ключей использованы симисторы. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования частоты переменного тока по принципу преобразования биений напряжения.

Известен преобразователь частоты, содержащий источник биения напряжений, выполненный в виде каскадного преобразователя, состоящего из двух трехфазных асинхронных машин, сидящих на одном валу с приводным двигателем, первичная обмотка каждой трехфазной асинхронной машины подключена к питающей сети, вентильный коммутатор и трехфазную нагрузку [1].

Недостатком этого преобразователя является невысокое качество формы кривых выходного тока, имеющих значительные искажения.

Наиболее близким по технической сущности и по достигаемому результату к изобретению является преобразователь частоты, содержащий источник биения напряжений, выполненный в виде каскадного преобразователя, состоящего из двух трехфазных асинхронных машин, сидящих на одном валу с приводным двигателем, первичная обмотка каждой трехфазной асинхронной машины состоит из трех одинаковых трехфазных секций, вентильный коммутатор, блок выделения несущей частоты, выход которого соединен с входом распределителя сигналов управления, выходы которого подключены к входам электронных ключей вентильного коммутатора, и трехфазную нагрузку [2].

Недостатком этого преобразователя является сложность конструкции, заключающаяся в том, что требуется большое количество электронных ключей (тиристоров) и соответственно сложная система управления, в частности распределитель сигналов управления для коммутации этих электронных ключей.

Целью изобретения является упрощение конструкции преобразователя частоты.

Это достигается тем, что в предлагаемом преобразователе частоты вентильный коммутатор выполнен в виде трех трехфазных полупроводниковых ключей, выполненных на симисторах, символические катоды (аноды) которых, потенциально связанные с управляющими электродами, соединены в звезду, управляющие электроды симисторов каждого трехфазного полупроводникового ключа через балластные сопротивления объединены в звезду и подключены к соответствующим выводам распределителя сигналов управления, а к символическим анодам (катодам) симисторов подключены начала фаз трехфазных секций вторичной обмотки первой трехфазной асинхронной машины, причем к первому полупроводниковому трехфазному ключу присоединены первая фаза первой секции, третья фаза второй секции и вторая фаза третьей секции, к второму полупроводниковому трехфазному ключу - вторая фаза первой секции, первая фаза второй секции и третья фаза третьей секции, к третьему полупроводниковому трехфазному ключу - третья фаза первой секции, вторая фаза второй секции и первая фаза третьей секции, концы фаз трехфазных секций вторичной обмотки первой трехфазной асинхронной машины соединены с началами фаз одноименных трехфазных секций вторичной обмотки второй трехфазной асинхронной машины, причем в первых секциях соединены между собой первые, вторые и третьи фазы, во вторых секциях - первая с третьей, вторая с первой и третья со второй фазами, в третьих секциях - первая со второй, вторая с третьей и третья с первой фазами, концы фаз трехфазных секций вторичной обмотки второй трехфазной асинхронной машины объединены посекционно и подключены соответственно к первой, второй и третьей фазам трехфазной нагрузки, а входы блока выделения несущей частоты присоединены к началам фаз вторичной обмотки первой трехфазной асинхронной машины.

Такое решение позволит упростить конструкцию преобразователя частоты за счет того, что используется только три электронных ключа, и при этом также упрощается распределитель сигналов управления.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема преобразователя частоты; на фиг.2-4 - временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя.

Преобразователь частоты содержит источник биения напряжений, выполненный в виде каскадного преобразователя 1, состоящего из двух трехфазных асинхронных машин 2,3, сидящих на одном валу с приводным двигателем (не показан), первичные обмотки 4,5 первой 2 и второй 3 машин подключены к питающей сети 6, вторичные обмотки 7,8 первой и второй машин состоят из трех одинаковых трехфазных секций 9,10,11 и 12,13,14 соответственно, вентильный коммутатор 15, блок 16 выделения несущей частоты, выход которого соединен с входом распределителя 17 сигналов управления, выходы которого подключены к управляющим электродам трехфазных полупроводниковых ключей 18,19,20 вентильного коммутатора 15, и трехфазную нагрузку 21.

Вентильный коммутатор 15 выполнен в виде трех трехфазных полупроводниковых ключей 18,19,20, состоящих соответственно из симисторов 22-24,25-27,28-30, катоды (аноды) каждого из которых потенциально связанные с управляющими электродами, соединены в звезду, а аноды (катоды) подключены к выводам переменного тока - начала фаз трехфазных секций 9,10,11 вторичной обмотки 7 первой машины 2. Причем к первому трехфазному полупроводниковому ключу 18 присоединены первая фаза а₁₁ первой секции 9, третья фаза с₂₁ второй секции 10 и вторая фаза b₃₁третьей секции 11; к второму трехфазному полупроводниковому ключу 19 - вторая фаза b₁₁ первой секции 9, первая фаза а₂₁ второй секции 10 и третья фаза с₃₁ третьей секции; к третьему трехфазному полупроводниковому ключу 20 - третья фаза с₁₁ первой секции 9, вторая фаза b₂₁ второй секции 10 и первая фаза а₃₁ третьей секции 11.

Концы фаз трехфазных секций 9,10,11 вторичной обмотки 7 первой машины 2 соединены с началами фаз одноименных трехфазных секций 12,13,14 вторичной обмотки 8 второй машины 3, причем в первых секциях 9,12 соединены между собой первые а₁₁,а₁₂, вторые b₁₁,b₁₂ и третьи с₁₁,с₁₂фазы; во вторых секциях 10,13 - первая а₂₁ с третьей с₂₂, вторая b₂₁ с первой а₂₂ и третья с₂₁ со второй b₂₂ фазами, в третьих секциях 11,14 - первая а₃₁ - со второй b₃₂, вторая b₃₁ - с третьей с₃₂ и третья - с первой а₃₂ фазами. Концы фаз трехфазных секций 12,13,14 вторичной обмотки 8 второй машины 3 объединены посекционно (а₁₂,b₁₂,с₁₂; a₂₂,b₂₂,c₂₂; a₃₂,b₃₂,c₃₂) и подключены соответственно к первой А, второй B и третьей С фазам трехфазной нагрузки 21, а входы блока 16 выделения несущей частоты присоединены к началам фаз a₁₁,b₁₂,c₁₁,a₂₁, b₂₁,c₂₁,a₃₁,b₃₁,c₃₁ вторичной обмотки 7 первой машины 2.

Преобразователь частоты работает следующим образом.

Первичные обмотки 4,5 трехфазных асинхронных машин 2,3 подключены к питающей сети 6 таким образом, чтобы вращение создаваемых ими полей осуществлялось в противоположных направлениях. Тогда на выходах всех фаз вторичных обмоток 4,5, соединенных между собой, наводятся суммарные ЭДС: l_aA= l+l= E_мsinω_нtcosω_бt l_BA= l+l= E_мsin(ω_нt-120°)cosω_бt (фиг. 2a) l_CA= l+l= E_мsin(ω_нt-240°)cosω_бt l_aB= l+l= E_мsinω_нtcos(ω_бt-120°) l_bb= l+l= E_мsin(ω_нt-120°)cos(ω_б-120°) (фиг. 2б) l_CB= l+l= E_мsin(ω_нt-240°)cos(ω_б-120°) l_aC= l+l= E_мsinω_нtcos(ω_бt-240°) l_bC= l+l= E_мsin(ω_нt-120°)cos(ω_бt-240°) (фиг. 2в) l_cc= l+l= E_мsin(ω_нt-240°)cos(ω_бt-240°)
Здесь l_aA,...l_cC - суммарная ЭДС соответствующих фаз;
l, ... , l - ЭДС соответствующих фаз первой машины 2;
l, ... , l - ЭДС соответствующих фаз второй машины 3;
Е_м - амплитудное значение ЭДС;
ω_н - несущая частота напряжения;
ω_б - частота биений напряжения.

Эти ЭДС можно получить, если одна из машин (например, первая машина 2) работает в режиме электромагнитного тормоза, а вторая машина 3 - в режиме генератора.

Биения напряжений поступают на входы блока 16 выделения несущей частоты, в результате чего на его выходе, а следовательно, и на входе распределителя 17 сигналов управления выделяются напряжения несущей частоты (фиг.3а).

В распределителе 17 сигналов управления из напряжений несущей частоты выделяется исходная переключающая функция (фиг.3б,в,г), сигналы которой подаются на управляющие электроды трехфазных полупроводниковых ключей 18,19,20.

В течение одного периода модулирующего напряжения низкой частоты сигнал управления на трехфазный полупроводниковый ключ 18 (симисторы 22-24) подается в моменты времени Θ1, Θ₄, Θ₇, Θ₁₀, Θ₁₃, Θ₁₆ (фиг.3в), на трехфазный полупроводниковый ключ 19 (симисторы 25-27) - в моменты времени _Θ2, Θ₅, Θ₈, Θ₁₁, Θ₁₄, Θ₁₇ (фиг.3в) и на трехфазный полупроводниковый ключ 20 (симисторы 28-30) - в моменты времени Θ₃, Θ₆, Θ₉, Θ₁₂, Θ₁₅, Θ₁₈ (фиг.3г), т.е. сигналы управления на симисторы, принадлежащие одному ключу, подаются одновременно.

При этом в момент времени Θ₁ откроются симисторы 22,23,24, причем по симисторам 22 и 24 будут протекать токи положительной полярности, а по симистору 23 - отрицательной, ток будет протекать через фазы а₁₁,а₁₂; с₂₁, а₂₂; b₃₁,с₃₂ и нагрузку 21.

В момент времени Θ₂ снимается сигнал управления с трехфазного полупроводникового ключа 18 и подается сигнал управления на трехфазный полупроводниковый ключ 19, что приводит к отпиранию симисторов 25,26,27. Образуются три контура коммутации: I контур - симистор 22; фаза а₁₁,а₁₂; фаза b₁₂,b₁₁; симистор 26; фазы а₂₁,с₂₂; b₂₂,c₂₁; симистор 23; II контур - симистор 23; фазы с₂₁,b₂₂; с₂₂,а₂₁; симисторы 26,27; фазы с₃₁,а₃₂; с₃₂,b₃₁; симистор 24; III контур - симистор 24; фазы b₃₁,c₃₂; а₃₂,с₃₁; симисторы 27,25; фазы b₁₁, b₁₂; а₁₂, а₁₁; симистор 22. Протекающие в этих контурах коммутационные токи приводят к запиранию симисторов 22,23,24, после чего ток будет протекать через симисторы 25,26,27 и фазы b₁₁,b₁₂; а₂₁,с₂₂; с₃₁, а₃₂ и нагрузку 21.

В момент времени Θ₃-Θ₁₈ процессы будут протекать аналогично (см.таблицу).

В результате такой естественной коммутации симисторов вентильного коммутатора 15 на трехфазной нагрузке 21 появляется напряжение: на фазе А - U_А (фиг. 4а), на фазе B - U_B (фиг.4б), на фазе С - U_C (фиг.4в), и через фазы нагрузки 21 будет протекать ток, первая гармоника которого показана на фиг. 4г.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет упростить конструкцию преобразователя частоты за счет уменьшения количества полупроводниковых элементов и упрощения системы управления.

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащий источник биения напряжений, выполненный в виде каскадного преобразователя, состоящего из двух трехфазных асинхронных машин, размещенных на одном валу с приводным двигателем, первичная обмотка каждой трехфазной асинхронной машины подключена к питающей сети, вторичная обмотка каждой трехфазной асинхронной машины состоит из трех одинаковых трехфазных секций, вентильный коммутатор, блок выделения несущей частоты, выход которого соединен с входом распределителя сигналов управления, выходы которого подключены к управляющим входам электронных ключей вентильного коммутатора, и цепь трехфазной нагрузки, отличающийся тем, что вентильный коммутатор выполнен в виде трех трехфазных полупроводниковых ключей, выполненных на симисторах, одни силовые выводы которых, потенциально связанные с управляющими электродами, соединены в звезду, а к другим силовым выводам подключены начала фаз трехфазных секций вторичной обмотки первой трехфазной асинхронной машины, причем к первому трехфазному полупроводниковому ключу присоединены первая фаза первой секции, третья фаза второй секции и вторая фаза третьей секции, к второму трехфазному полупроводниковому ключу - вторая фаза первой секции, первая фаза второй секции и третья фаза третьей секции, к третьему трехфазному полупроводниковому ключу - третья фаза первой секции, вторая фаза второй секции и первая фаза третьей секции, концы фаз трехфазных секций вторичной обмотки первой трехфазной асинхронной машины соединены с началами фаз одноименных трехфазных секций вторичной обмотки второй трехфазной асинхронной машины, причем в первых секциях соединены между собой первые, вторые и третьи фазы, во вторых секциях - первая с третьей, вторая с первой и третья с второй фазами, в третьих секциях - первая с второй, вторая с третьей и третья с первой фазами, концы фаз трехфазных секций вторичной обмотки второй трехфазной асинхронной машины объединены посекционно и подключены соответственно к первой, второй и третьей фазам цепи трехфазной нагрузки, а входы блока выделения несущей частоты присоединены к началам фаз вторичной обмотки первой трехфазной асинхронной машины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5