Преобразователь частоты дьякова (варианты)

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано для регулирования частоты и величины напряжения питания асинхронных электрических двигателей. Преобразователь частоты Дьякова содержит блок управления и группы параллельно соединенных пар последовательно включенных ключей, а также блок фазирования и блок фильтрации, подключенные к входам преобразователя частоты, и трансформаторы в количестве, равном числу фаз входного напряжения, при этом одни выходы блока управления подключены через блок фазирования к управляющим входам одних ключей, другие выходы блока управления последовательно через блок фильтрации и блок фазирования подключены к управляющим входам других ключей. Первичные обмотки трансформаторов подключены к одним соответствующим группам ключей, соединенным с входами преобразователя частоты, а вторичные обмотки разных трансформаторов соединены последовательно, и крайние выводы этих групп обмоток подключены к другим соответствующим группам ключей, соединенным с выходами преобразователя частоты. Кроме того, приведены преобразователи частоты для трех фаз входного и трех фаз выходного напряжения с ключами, выполненными на транзисторах и диодах, и трансформаторами, с разным количеством первичных и вторичных обмоток. Преобразователь частоты позволяет осуществить гальваническую изоляцию, расширение пределов и исключение высших гармоник выходного напряжения при одновременном упрощении схемы, позволяющем снизить массу и габариты преобразователя частоты, а также повысить его надежность и снизить энергопотери, что является техническим результатом. 4 с.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано для регулирования частоты и величины напряжения питания асинхронных электрических двигателей.

Известен “Непосредственный преобразователь частоты” (патент РФ №2137283, МПК Н 02 М 5/27, 1999), содержащий двунаправленные входные ключи, объединенные в группы, число которых равно числу выходных фаз преобразователя, соединенные в каждой группе одними своими концами в многофазную звезду по числу фаз входного напряжения.

Недостатками данного преобразователя частоты являются наличие гальванической связи его входного и выходного напряжений, повышающей вероятность короткого замыкания и ведущей к снижению надежности, что сужает область его применения. Превышение выходного напряжения над входным возможно только за счет запасенной энергии в дросселях и ограничено током нагрузки, требует больших габаритов дросселей и реализуемо для малых мощностей преобразователя частоты. Зависимость выходного напряжения от изменения нагрузки требует постоянного регулирования соотношения периодов переключения входных и выходных ключей, что усложняет схему их управления. Наличие силовых конденсаторов ведет к усложнению схемы и увеличению габаритов преобразователя частоты, к снижению его надежности. Высокий уровень высших гармонических составляющих выходного напряжения отрицательно сказывается на работе подключаемого оборудования.

Известен также двухзвенный преобразователь частоты (Р.Т.Шрейнер. “Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты”. Екатеринбург, 2000, Российская Академия Наук, Уральское отделение, с.277, рис. 13.2), содержащий группы из двух параллельно соединенных пар последовательно включенных ключей в количестве, равном сумме числа фаз входного и выходного напряжений. Однако данный преобразователь также содержит гальваническую связь входного и выходного напряжений, что не позволяет подключить оборудование, требующее изолированного напряжения питания. Другим недостатком является присутствие в выходном напряжении высших гармоник, а номинальное выходное напряжение соответствует напряжению сети, что не позволяет подключать оборудование, питающееся напряжением, отличным от сетевого. В схеме применяется большое количество дросселей и силовой фильтр, содержащий батарею конденсаторов значительной емкости. Все это определяет сложность силовой схемы и системы управления, увеличение габаритов и массы при недостаточной надежности устройства и низких энергетических показателях преобразователя частоты.

Целью изобретения является изменение схемы, реализующее гальваническую изоляцию, расширение пределов и исключение высших гармоник выходного напряжения при одновременном упрощении схемы, позволяющем снизить массу и габариты преобразователя частоты, а также повысить его надежность и снизить энергопотери.

Это достигается тем, что в преобразователь частоты, содержащий блок управления и группы параллельно соединенных пар последовательно включенных ключей, введены блок фазирования, блок фильтрации, подключенные к входам преобразователя частоты, и трансформаторы в количестве, равном числу фаз входного напряжения, при этом одни выходы блока управления подключены через блок фазирования к управляющим входам одних ключей, а другие выходы блока управления подключены последовательно, через блок фильтрации и блок фазирования, к управляющим входам других ключей, а первичные обмотки трансформаторов подключены к одним соответствующим группам ключей, подключенным к входам преобразователя частоты, а вторичные обмотки разных трансформаторов соединены последовательно, и крайние выводы этих групп обмоток подключены к другим соответствующим группам ключей, подключенным к выходам преобразователя частоты. Расширение пределов номинального напряжения достигается за счет соответствующего коэффициента трансформации трансформаторов, а напряжение, отличающееся от номинального, формируется за счет широтно-импульсной модуляции выходного напряжения групп вторичных обмоток трансформаторов с помощью ключей. Предлагаемой схемой преобразователя частоты достигается гальваническая изоляция входного и выходного напряжений, расширяются пределы и исключаются высшие гармоники выходного напряжения при одновременном упрощении схемы, позволяющем снизить массу и габариты преобразователя частоты, а также повысить его надежность и снизить энергопотери.

Также это достигается тем, что преобразователь частоты содержит три трансформатора с двумя первичными и шестью вторичными обмотками, а ключи выполнены на транзисторе и диоде, при этом первичные обмотки каждого трансформатора с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами соединены встречно-параллельно, и эти цепи соединены в звезду или треугольник и подключены к входам преобразователя частоты, а каждые две группы вторичных обмоток трансформаторов с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами соединены встречно-параллельно, и эти три цепи соединены в звезду и подключены к выходам преобразователя частоты.

Также это достигается тем, что преобразователь частоты содержит три трансформатора с двумя первичными и двумя вторичными обмотками, а ключи выполнены на транзисторе и диоде, при этом первичные обмотки каждого трансформатора с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами соединены встречно-параллельно, и эти цепи соединены в звезду или треугольник и подключены к входам преобразователя частоты, а каждый крайний вывод двух последовательно соединенных групп вторичных обмоток разных трансформаторов подключен к каждому фазному выходу преобразователя частоты через два встречно-последовательно включенных ключа, и общие выводы групп обмоток соединены с нулевым выходом преобразователя частоты.

Также это достигается тем, что преобразователь частоты содержит три трансформатора с двумя первичными и двумя вторичными обмотками, а ключи выполнены на транзисторе и диоде, при этом первичные обмотки каждого трансформатора с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами соединены встречно-параллельно, и эти цепи соединены в звезду или треугольник и подключены к входам преобразователя частоты, а крайние выводы двух последовательно соединенных групп вторичных обмоток разных трансформаторов подключены к фазным выходам преобразователя частоты через ключи, соединенные по схеме последовательно включенных активного выпрямителя и автономного инвертора напряжения, и общие выводы групп обмоток соединены с нулевым выходом преобразователя частоты.

На фиг.1 представлена функциональная схема преобразователя частоты для случая, когда число фаз входного и выходного напряжений равно трем.

На фиг.2 представлена функциональная схема преобразователя частоты, выполненного на трех трансформаторах с двумя первичными и шестью вторичными обмотками.

На фиг.3 представлена функциональная схема преобразователя частоты, выполненного на трех трансформаторах с двумя вторичными обмотками.

На фиг.4 представлена функциональная схема преобразователя частоты, выполненного на трех трансформаторах с двумя вторичными обмотками и соединением вторых ключей по схемам активного выпрямителя и автономного инвертора напряжения.

Преобразователь частоты содержит, в случае трехфазного входного и выходного напряжений (фиг.1), блок управления 1, шесть групп параллельно соединенных пар последовательно включенных ключей 2 (соответственно трем фазам входного напряжения и трем фазам выходного напряжения преобразователя частоты), блок фазирования 3, блок фильтрации 4, подключенные к входам преобразователя частоты, и трансформаторы 5, 6, 7 (в количестве, равном числу фаз входного напряжения), при этом одни выходы блока управления 1 подключены через блок фазирования 3 к управляющим входам одних ключей 2, а другие выходы блока управления 1 последовательно, через блок фильтрации 4 и блок фазирования 3 подключены к управляющим входам других ключей 2, и первичные обмотки трансформаторов 5, 6, 7 подключены к одним соответствующим группам ключей 2, соединенным в звезду или треугольник (соответственно числу фаз входного напряжения) и подключенным к входам преобразователя частоты, а вторичные обмотки разных трансформаторов 5, 6, 7 соединены последовательно, а крайние выводы этих групп обмоток подключены к другим соответствующим группам ключей 2, соединенным в звезду и подключенным к выходам преобразователя частоты.

Преобразователь частоты работает следующим образом.

Трансформаторы 5, 6, 7 и ключи 2 под управлением блока управления 1, блока фазирования 3 и блока фильтрации 4 преобразуют переменное трехфазное напряжение на входе преобразователя частоты в переменные напряжения повышенной частоты на выводах групп вторичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7, которые далее преобразуются в трехфазное широтно-модулированное переменное напряжение на выходах преобразователя частоты. Расширение пределов номинального напряжения достигается за счет варьирования коэффициента трансформации трансформаторов 5, 6, 7. Преобразование входных фазных напряжений в переменные напряжения повышенной частоты и переменных напряжений повышенной частоты в широтно-модулированные выходные напряжения осуществляется по мостовым схемам преобразования напряжения с помощью групп ключей 2. Блок фазирования 3 инвертирует сигналы блока управления 1, идущие на управляющие входы ключей 2 первичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7, в зависимости от полярности входных фазных напряжений преобразователя частоты, чем обеспечивает постоянное суммирование переменных напряжений последовательно соединенных вторичных обмоток разных трансформаторов 5, 6, 7 за счет соответствующего фазирования переключений их первичных обмоток, а также инвертирует сигналы блока фильтрации 4, идущие на управляющие входы ключей 2 групп вторичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7 в зависимости от полярности напряжений на выводах этих групп вторичных обмоток, чем исключает влияние переменного вида напряжения на формирование выходного напряжения преобразователя частоты. Блок фильтрации 4 производит коррекцию широтно-модулированных по синусоидальному закону сигналов, поступающих от блока управления 1, в зависимости от текущего изменения скалярной суммы входных фазных напряжений, чем исключает влияние пульсаций амплитуд переменных напряжений на выводах групп вторичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7 на трехфазное выходное широтно-модулированное напряжение преобразователя частоты.

Преобразователь частоты, приведенный на фиг.2, основан на схемном решении фиг.1 и содержит три трансформатора 5, 6, 7 с двумя первичными и шестью вторичными обмотками, при этом ключи 2 выполнены на транзисторах 8 и диодах 9, а первичные обмотки каждого из трансформаторов 5, 6, 7 с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами 2 соединены встречно-параллельно, и эти цепи соединены в звезду или треугольник и подключены к входам преобразователя частоты, а каждые две группы вторичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7 с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами 2 соединены встречно-параллельно, и эти три цепи соединены в звезду и подключены к выходам преобразователя частоты.

Преобразователь частоты, приведенный на фиг.3, основан на схемных решениях фиг.1, 2 и содержит три трансформатора 5, 6, 7 с двумя первичными и двумя вторичными обмотками, а ключи 2 выполнены на транзисторах 8 и диодах 9, при этом первичные обмотки каждого из трансформаторов 5, 6, 7 с соединенными последовательно двумя встречно включенньми ключами 2 соединены встречно-параллельно, и эти цепи соединены в звезду или треугольник и подключены к входам преобразователя частоты, а каждый крайний вывод двух последовательно соединенных групп вторичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7 подключен к каждому фазному выходу преобразователя частоты через два встречно-последовательно включенных ключа 2, а общие выводы групп обмоток соединены с нулевым выходом преобразователя частоты.

Преобразователь частоты, приведенный на фиг.4, основан на схемных решениях фиг.1, 2 и содержит три трансформатора 5, 6, 7 с двумя первичными и двумя вторичными обмотками, а ключи 2 выполнены на транзисторах 8 и диодах 9, при этом первичные обмотки каждого из трансформаторов 5, 6, 7 с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами 2 соединены встречно-параллельно, и эти цепи соединены в звезду или треугольник и подключены к входам преобразователя частоты, а крайние выводы двух последовательно соединенных групп вторичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7 подключены к фазным выходам преобразователя частоты через ключи 2, соединенные по схеме последовательно включенных активного выпрямителя и автономного инвертора напряжения, а общие выводы групп обмоток соединены с нулевым выходом преобразователя частоты.

В преобразователях частоты, собранных по схемам, приведенным на фиг.2, фиг.3 и фиг.4, ключи 2 выполнены на основе транзисторов 8 и диодов 9, соединенных встречно-параллельно, а первичные обмотки трансформаторов 5, 6, 7 подключены через ключи 2 к входам преобразователя частоты по двухполупериодным схемам преобразования напряжения. В преобразователе частоты, приведенном на фиг.2, группы вторичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7 подключены через ключи 2 к выходам преобразователя частоты по двухполупериодным схемам преобразования напряжения. В преобразователях частоты, представленных на фиг.3 и фиг.4, используются две группы вторичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7 для формирования трех фаз выходного напряжения, при этом в преобразователе частоты выходное напряжение формируется из напряжения повышенной частоты в первом случае (фиг.3) - с помощью пар встречно-последовательно включенных ключей 2, соединяющих каждый крайний вывод групп вторичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7 с каждым фазным выходом преобразователя частоты, а во втором случае (фиг.4) - с помощью ключей 2, соединенных по схеме активного выпрямителя и автономного инвертора напряжений, включенных последовательно. В преобразователе частоты, представленном на фиг.4, блок фильтрации 4 осуществляет коррекцию управляющих широтно-модулированных сигналов ключей 2, соединенных в автономный инвертор напряжения, а блок фазирования 3 обеспечивает синхронную работу ключей 2, соединенных в активный выпрямитель и автономный инвертор, с ключами 2 первичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7.

Гальваническая изоляция выходного напряжения от входного напряжения и увеличение пределов выходного напряжения позволяют расширить область применения преобразователя частоты, например, для привода объектов, требующих по условиям эксплуатации и техники безопасности гальванически изолированного, отличающегося от сетевого напряжения питания. Исключение дополнительных гармонических составляющих выходного напряжения повышает КПД привода, увеличивает срок службы электродвигателей. Снижение массы и габаритов преобразователя частоты уменьшает расход материалов на изготовление, затраты на транспортирование, повышает удобство при эксплуатации. Повышаются энергетические показатели за счет уменьшения потерь в реактивных элементах, дросселях и конденсаторах, которые отсутствуют в предлагаемой схеме преобразователя частоты, а также за счет возможности рекуперации энергии. Упрощение схемы, исключение дросселей, силовых конденсаторов увеличивает надежность преобразователя частоты и ресурс его работы.

Использование данного преобразователя частоты позволит исключить из частотно-регулируемого питания асинхронных электродвигателей, требующих гальванически изолированного напряжения, громоздкие и дорогостоящие трансформаторы частотой 50 Гц. Например, в электроприводе центробежных погружных насосов для добычи нефти и ручных инструментов строительной отрасли.

1. Преобразователь частоты, содержащий блок управления и группы параллельно соединенных пар последовательно включенных ключей, отличающийся тем, что в него введены блок фазирования и блок фильтрации, подключенные к входам преобразователя частоты, и трансформаторы в количестве, равном числу фаз входного напряжения, при этом одни выходы блока управления подключены через блок фазирования к управляющим входам одних ключей, другие выходы блока управления последовательно через блок фильтрации и блок фазирования подключены к управляющим входам других ключей, первичные обмотки трансформаторов подключены к входам преобразователя частоты через одни соответствующие группы ключей, собранные по мостовым схемам преобразования напряжения и объединенные в звезду или многоугольник, а вторичные обмотки разных трансформаторов соединены последовательно и крайние выводы этих групп обмоток подключены к выходам преобразователя частоты через другие соответствующие группы ключей, собранные по мостовым схемам преобразования напряжения и объединенные в звезду.

2. Преобразователь частоты, содержащий блок управления и группы последовательно включенных ключей, отличающийся тем, что в него введены блок фазирования и блок фильтрации, подключенные к входам преобразователя частоты, и трансформаторы в количестве, равном числу фаз входного напряжения, при этом одни выходы блока управления подключены через блок фазирования к управляющим входам одних ключей, другие выходы блока управления последовательно через блок фильтрации и блок фазирования подключены к управляющим входам других ключей, ключи выполнены на транзисторе и диоде, а трансформаторы - с двумя первичными и шестью вторичными обмотками, при этом первичные обмотки каждого трансформатора с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами соединены встречно-параллельно и эти цепи соединены в звезду или многоугольник и подключены к входам преобразователя частоты, а вторичные обмотки разных трансформаторов соединены последовательно, причем каждые две такие группы вторичных обмоток трансформаторов с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами соединены встречно-параллельно и эти цепи соединены в звезду и подключены к выходам преобразователя частоты.

3. Преобразователь частоты, содержащий блок управления и группы последовательно включенных ключей, отличающийся тем, что в него введены блок фазирования и блок фильтрации, подключенные к входам преобразователя частоты, и трансформаторы в количестве, равном числу фаз входного напряжения, при этом одни выходы блока управления подключены через блок фазирования к управляющим входам одних ключей, другие выходы блока управления последовательно через блок фильтрации и блок фазирования подключены к управляющим входам других ключей, ключи выполнены на транзисторе и диоде, а трансформаторы - с двумя первичными и двумя вторичными обмотками, при этом первичные обмотки каждого трансформатора с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами соединены встречно-параллельно и эти цепи соединены в звезду или многоугольник и подключены к входам преобразователя частоты, а вторичные обмотки разных трансформаторов соединены последовательно, причем каждый крайний вывод этих двух последовательно соединенных групп вторичных обмоток трансформаторов подключен к каждому фазному выходу преобразователя частоты через два встречно-последовательно включенных ключа, а общие выводы групп обмоток соединены с нулевым выходом преобразователя частоты.

4. Преобразователь частоты, содержащий блок управления и группы последовательно включенных ключей, отличающийся тем, что в него введены блок фазирования и блок фильтрации, подключенные к входам преобразователя частоты, и трансформаторы в количестве, равном числу фаз входного напряжения, при этом одни выходы блока управления подключены через блок фазирования к управляющим входам одних ключей, другие выходы блока управления последовательно через блок фильтрации и блок фазирования подключены к управляющим входам других ключей, ключи выполнены на транзисторе и диоде, а трансформаторы - с двумя первичными и двумя вторичными обмотками, при этом первичные обмотки каждого трансформатора с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами соединены встречно-параллельно и эти цепи соединены в звезду или многоугольник и подключены к входам преобразователя частоты, а вторичные обмотки разных трансформаторов соединены последовательно, причем крайние выводы этих двух последовательно соединенных групп вторичных обмоток трансформаторов подключены к фазным выходам преобразователя частоты через ключи, соединенные по схеме последовательно включенных активного выпрямителя и автономного инвертора напряжения, а общие выводы групп обмоток соединены с нулевым выходом преобразователя частоты.