Многозонный матричный преобразователь частоты



Многозонный матричный преобразователь частоты
Многозонный матричный преобразователь частоты

 


Владельцы патента RU 2472280:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к полупроводниковым преобразователям и может быть использовано для непосредственного преобразования трехфазного переменного напряжения в переменное, регулируемое по величине и частоте. Такие преобразователи могут быть использованы в системах генерирования переменного напряжения и питания электропривода. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей преобразователя за счет повышения качества преобразования независимо от тока нагрузки, увеличении коэффициента передачи по напряжению, улучшении использования ключей по напряжению. Предлагаемое изобретение состоит из секций, первые выходные зажимы которых образуют выходные зажимы многозонного матричного преобразователя частоты, а вторые соединены параллельно между собой. Каждая секция состоит из ячеек, соединенных параллельно между собой. Ячейка состоит из однофазного моста, включающего в себя четыре однонаправленных ключа, входные зажимы которого являются выходными зажимами ячейки, и однофазного полууправляемого моста, одно плечо которого состоит из двух однонаправленных ключей, а другое - из двух диодов, входные зажимы которого представляют собой входные зажимы ячейки, а выходные зажимы соединены встречно-параллельно с выходными зажимами однофазного моста. Первичные обмотки трансформатора представляют собой вход многозонного матричного преобразователя частоты, а вторичные обмотки объединены в группы, по две последовательно соединенных обмотки каждой из фаз в группе. 2 ил.

 

Изобретение относится к полупроводниковым преобразователям и может быть использовано для непосредственного преобразования трехфазного переменного напряжения в переменное по величине и частоте. Такие преобразователи могут быть использованы в системах генерирования переменного тока и системах питания электропривода.

Известен непосредственный матричный преобразователь частоты, состоящий из девяти двунаправленных ключей, объединенных в три группы соответственно трем выходным фазам преобразователя, соединенными в каждой группе одними своими зажимами ключей в звезду, а вторыми зажимами ключей соответственно объединенными в группы и образующими выход преобразователя. Кроме того, непосредственный преобразователь содержит три сглаживающих реактора, одними концами соединенными с выходом преобразователя, а другими подключенными к трехфазной нагрузке (Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Новосибирск, НГТУ, 2009). В таком преобразователе в качестве ключей используются либо включенные встречно-параллельно запираемые тиристоры, либо транзисторы.

Однако указанный преобразователь имеет плохую энергетическую совместимость с сетью, невысокий коэффициент передачи по напряжению и невозможность его использования в мощных высоковольтных цепях.

Известен также многозонный матричный преобразователь частоты, являющийся прототипом (Yong Shi, Xu Yang, Qun He, and Zhaoan Wang. Research on a Novel Capacitor Clamped Multilevel Matrix Converter, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.20, NO.5, September 2005). Он содержит двунаправленные ключи, объединенные в n ячеек (n равно числу входных фаз преобразователя), в каждой ячейке находятся два последовательно соединенных двунаправленных ключа, соединенные n ячеек образуют секцию многозонного матричного преобразователя частоты, где число секций m - число фаз выходного m-фазного напряжения, по выходу ячейки соединены параллельно и образуют выходной зажим преобразователя, а по входу ячейки соединены параллельно с ячейками других секций и образуют n фазный вход преобразователя, в каждой секции в диагональ ячеек между двумя последовательно соединенными ключами включены n-1 накопительных конденсаторов, m фильтрующих реакторов соединены одним концом последовательно к m выходным зажимам преобразователя, а другим подключены к m-фазному выходу непосредственного преобразователя. Такой преобразователь позволяет создать дополнительные уровни питающего напряжения, в результате можно получить более качественное выходное напряжение по сравнению с обычными непосредственными преобразователями.

Однако указанное устройство имеет ограниченные функциональные возможности, что обусловлено, во-первых, ухудшением качества выходного напряжения при снижении тока нагрузки, т.к. перезаряд накопительных конденсаторов делается током нагрузки, во-вторых, значением коэффициента преобразования по напряжению менее единицы, что ограничивает возможности частотного электропривода в составе с таким преобразователем.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей многозонного матричного преобразователя частоты путем обеспечения независимого от тока нагрузки качества выходного напряжения и увеличенного значения коэффициента преобразования по напряжению, а также улучшенного использования ключей по напряжению.

Это достигается тем, что многозонный матричный преобразователь частоты, содержащий полупроводниковые ключи, объединенные в секции, где число секций m равно числу фаз выходного m-фазного напряжения, первые выходные зажимы секций образуют выходные зажимы многозонного матричного преобразователя частоты, а вторые выходные зажимы всех секций соединены между собой, при этом каждая секция состоит из ячеек, число n которых равно числу входных фаз преобразователя, ячейки в секции по своим выходным зажимам соединены параллельно между собой и представляют собой выходные зажимы секции, отличающийся тем, что в него введены трансформатор, однонаправленные полупроводниковые ключи и диоды, при этом каждая ячейка состоит из однофазного моста, включающего в себя четыре однонаправленных ключа, входные зажимы которого представляют собой выходные зажимы ячейки, и однофазного полууправляемого моста, одно плечо которого состоит из двух однонаправленных ключей, а другое - из двух диодов, входные зажимы которого представляют собой входные зажимы ячейки, а выходные зажимы соединены встречно-параллельно с выходными зажимами однофазного моста, входные зажимы ячеек в секции являются входными зажимами секции, трансформатор, имеющий n первичных обмоток, соединенных в звезду или треугольник, выводы которых представляют вход многозонного матричного преобразователя частоты, и m групп вторичных обмоток, соединенных в звезду или треугольник, по две последовательно соединенных обмотки каждой из n фаз в группе, каждые два вывода последовательно соединенных обмоток в группе соединены с соответствующими входными зажимами n ячеек одной секции.

На фиг.1 предоставлена схема предлагаемого многозонного преобразователя, рассматриваемого на примере преобразователя трехфазного (n=3) входного напряжения в трехфазное выходное напряжение (m=3), т.е. m=n, а на фиг.2 - диаграммы его работы.

Предлагаемый многозонный матричный преобразователь частоты (фиг.1) содержит трехфазный трансформатор 1 со схемой соединения обмоток звезда-звезда, который имеет три первичных обмотки, образующие вход многозонного матричного преобразователя частоты, и восемнадцать вторичных, объединенных в три группы, по две последовательно соединенных обмотки каждой из трех фаз в группе, и три секции 2, первые выходные зажимы которых образуют выходные зажимы многозонного матричного преобразователя частоты, а вторые выходные зажимы всех секций соединены параллельно между собой, при этом каждая секция состоит из трех ячеек 3. Ячейки в секции по каждому своему выходному зажиму соединены параллельно между собой и представляют выходные зажимы секции. Входные зажимы каждой ячейки в секции соединены с двумя выходами последовательно соединенных вторичных обмоток в группе трансформатора. Входные зажимы ячеек одной секции представляют собой входные зажимы секции. Каждая ячейка состоит из однофазного моста, включающего в себя четыре однонаправленных ключа 4, входные зажимы которого представляют собой выходные зажимы ячейки, и однофазного полууправляемого моста, одно плечо которого состоит из двух однонаправленных ключей 5, а другое - из двух диодов 6, входные зажимы которого представляют собой входные зажимы ячейки, а выходные зажимы соединены встречно-параллельно с выходными зажимами однофазного моста.

Многозонный матричный преобразователь частоты работает следующим образом. На управляющие входы ключей подаются импульсы так, чтобы сформировать кривую выходного напряжения. Для регулирования величины выходного напряжения применяется широтно-импульсная модуляция. На входе преобразователя формируется кривая входного тока, близкая к синусоидальной. На диаграмме (фиг.2,а) представлены напряжение и ток питающей сети. На диаграмме (фиг.2,б) показаны напряжение и ток на нагрузке.

Таким образом, из диаграмм видно, что в выходном напряжении появились дополнительные уровни, обусловленные двухзонным питанием преобразователя, что повышает качество преобразования напряжения, Также увеличивается коэффициент передачи по напряжению, в данной схеме он равен 1,58, в то время как в матричном преобразователе прототипа он меньше единицы. Кроме того, улучшается использование ключей по напряжению, т.к. уровень напряжения на ключах сравним с напряжением на вторичной обмотке трансформатора (фазное напряжение), в то время как в преобразователе-прототипе напряжение на ключах определяется линейным напряжением.

Многозонный матричный преобразователь частоты, содержащий полупроводниковые ключи, объединенные в секции, где число секций m равно числу фаз выходного m-фазного напряжения, первые выходные зажимы секций образуют выходные зажимы многозонного матричного преобразователя частоты, а вторые выходные зажимы всех секций соединены между собой, при этом каждая секция состоит из ячеек, число n которых равно числу входных фаз преобразователя, ячейки в секции по своим выходным зажимам соединены параллельно между собой и представляют выходные зажимы секции, отличающийся тем, что в него введены трансформатор, однонаправленные полупроводниковые ключи и диоды, при этом каждая ячейка состоит из однофазного моста, включающего в себя четыре однонаправленных ключа, входные зажимы которого представляют собой выходные зажимы ячейки, и однофазного полууправляемого моста, одно плечо которого состоит из двух однонаправленных ключей, а другое из двух диодов, входные зажимы которого представляют собой входные зажимы ячейки, а выходные зажимы соединены встречно-параллельно с выходными зажимами однофазного моста, входные зажимы ячеек в секции являются входными зажимами секции, трансформатор, имеющий n первичных обмоток, соединенных в звезду или треугольник, выводы которых представляют вход многозонного матричного преобразователя частоты, и m групп вторичных обмоток, соединенных в звезду или треугольник, по две последовательно соединенные обмотки каждой из n фаз в группе, каждые два вывода последовательно соединенных обмоток в группе соединены с соответствующими входными зажимами n ячеек одной секции.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для использования в электроприводах переменного тока, управляемых оптоэлектронными изоляторами, и источниках вторичного электропитания.

Изобретение относится к полупроводниковым преобразователям и может быть использовано для безтрансформаторного непосредственного преобразования трехфазного переменного напряжения в переменное, регулируемое по величине и частоте.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления трехфазным статическим преобразователем при несимметричной нагрузке, входящим в состав автономной системы генерирования электрической энергии, системы бесперебойного электропитания, системы электроснабжения и др.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в приводах электровозов с асинхронными электродвигателями при питании от сетей переменного или постоянного тока, что свойственно для протяженных скоростных магистралей, имеющих участки сети переменного и постоянного тока.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в автономных системах электроснабжения для стабилизации частоты и напряжения источников электроэнергии с повышенной частотой генерируемого напряжения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в частотно-регулируемом электроприводе. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводе для питания асинхронных трехфазных и синхронных электродвигателей. .

Изобретение относится к устройствам широкополосного преобразования частоты, ведомых сетью, и может быть использовано в электроприводе для управления скоростью асинхронных электродвигателей

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока для летательных аппаратов. Система содержит синхронный генератор без вывода нулевого провода с возбуждением от постоянных магнитов и шестифазной обмоткой на статоре, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного по выходу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (циклоконвертора), каждая выходная фаза которого собрана по схеме шестифазного реверсивного выпрямителя, в котором последовательно с каждой парой встречно-параллельно соединенных тиристоров включен дроссель, к выходу каждой выходной фазы подключен конденсатор низкочастотного фильтра, в статический преобразователь электрической энергии вводится еще одна фаза непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, выход данной фазы соединен с нулевым проводом нагрузок системы генерирования. Технический результат - повышение входного коэффициента мощности статического преобразователя электрической энергии. 4 ил.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при конструировании высоковольтных малогабаритных выпрямителей для электропитания мощной радиоэлектронной аппаратуры. Технический результат заключается в повышении надежности устройства на пробой. Для этого заявленное устройство, собранное по трехфазной мостовой схеме выпрямления, дополнительно содержит диэлектрический стержень, установленный в центре трехфазного трансформатора, выполненный с резьбовой поверхностью на незакрепленном конце и гайкой, фиксирующей последовательно размещенные на нем первую коллекторную шайбу, первый высоковольтный конденсатор, металлическую шайбу, второй высоковольтный конденсатор, вторую коллекторную шайбу, а также диэлектрические центрирующие шайбы, которые установлены в центральные цилиндрические отверстия коллекторных и металлической шайб. При этом толщина диэлектрических центрирующих шайб соответствует толщине коллекторных шайб и металлической шайбы, в которые они установлены. Начала вторичных обмоток соединены по схеме «звезда» посредством металлической шайбы, а концы вторичных обмоток с соответствующими анодами полупроводниковых вентилей катодной группы и катодами полупроводниковых вентилей анодной группы - пайкой. Катоды полупроводниковых вентилей катодной группы соединены посредством второй коллекторной шайбы. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет передачи n-фазного напряжения по двухпроводной сети. Устройство передачи n-фазной системы напряжений по двухпроводной сети, содержащее нагрузку 13i (i=1…n), нулевой провод С0-С0вых, подключенный к нулевой точке многофазной системы ЭДС по схеме «звезда», первую группу ключей 9i (i=1…n), n входов 8i (i=1…n) фаз многофазной системы ЭДС, каждая из которых подсоединена к первому входу одноименного ключа 9i (i=1…n) первой группы, дополнительно включены вторая группа ключей 12i (i=1…n), генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, элемент И 2, счетчик 3, схема сравнения 4, регистр 5, дешифратор 6, первые формирователи сигналов 7i (i=1…n), группа элементов задержки 10i (i=1…n), вторые формирователи сигналов 11i (i=1…n), выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И 2, второй вход которого подсоединен к первому входу 15 устройства, а выход - к первому входу счетчика 3, выход которого подсоединен к входу дешифратора 6 и к первому входу схемы сравнения 4, второй вход которой подсоединен к выходу регистра 5, а выход - к второму входу счетчика 3, вход регистра 5 подсоединен к входу 14 устройства, выходы дешифратора 6 подсоединены к входам одноименных первых формирователей сигналов 7i (i=1…n) и через одноименные элементы задержки 10i (i=1…n) к входам одноименных вторых формирователей сигналов 11i (i=1…n), выходы первых формирователей сигналов 7i (i=1…n) подсоединены к управляющим входам ключей 9i (i=1…n) первой группы, выход каждого из которых подсоединен к входной линии передачи С1, выход которой подсоединен к выходной линии передач С1вых, выход которой подсоединен к первым входам второй группы ключей 12i (i=1…n), управляющий вход каждого из которых подсоединен к выходу одноименных вторых формирователей сигналов 11i (i=1…n), а выход - к нагрузке 13i (i=1…n). 1 ил.

Изобретение относится к области полупроводниковой преобразовательной техники и может быть использовано для получения регулируемого и стабилизированного трехфазного переменного напряжения. Регулятор может быть использован как стабилизатор трехфазного переменного напряжения, безтрансформаторное устройство повышения переменного напряжения, регулируемый источник стабильного переменного напряжения и как устройство плавного пуска асинхронных двигателей. Регулятор содержит на входе реактор, включенный в источник питания, причем в него введены в каждую фазу по одному конденсатору, который параллельно соединен с источником питания со своим реактором, также введены два трехфазных диодных моста и два транзистора, вход первого трехфазного диодного моста соединен с одним концом цепи, состоящей из источника питания, конденсатора и реактора, а к выходу первого диодного моста подсоединен первый транзистор, при этом другой конец цепи соединен с вторым трехфазным диодным мостом, к выходу которого подсоединен второй транзистор, также к входу этого трехфазного диодного моста подсоединена нагрузка, состоящая из последовательно соединенных реактора и активного сопротивления. Технический результат - обеспечивает регулирование и повышение напряжения без использования трансформатора сетевого напряжения. 3 ил.

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано для получения регулируемого и стабилизированного трехфазного переменного напряжения, причем качество входного и выходного токов остается высоким, а входной ток имеет к тому же опережающий характер по отношению к входному напряжению. Технический результат заключается в создании регулятора переменного напряжения с широким диапазоном регулирования. Для этого предлагаемый регулятор переменного напряжения содержит в каждой фазе реакторы, включенные последовательно с источником питания и нагрузкой, два трехфазных диодных выпрямительных моста, две группы накопительных конденсаторов, включенные последовательно соответственно первой и второй группой между точками соединения реакторов с выводами нагрузки и выводами переменного тока обоих трехфазных диодных выпрямительных мостов, а к выводам постоянного тока каждого диодного выпрямительного моста подключены в проводящем направлении транзисторы. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в многокаскадных высоковольтных преобразователях частоты, фазы которых состоят из группы последовательно соединенных силовых преобразовательных ячеек. Технический результат - уменьшение колебаний электроэнергии, потребляемой преобразователем из сети при изменениях его нагрузки. В каждой фазе преобразователя частоты последовательно соединены однофазные ячейки (1-5), входы которых подключены к вторичным обмоткам многообмоточного силового трансформатора (6). Каждая однофазная ячейка содержит управляемый выпрямитель (7), инвертор (8) напряжения с широтно-импульсной модуляцией и блок управления (12). Выход инвертора (8) шунтирован первым коммутатором (9). В каждой фазе преобразователя часть однофазных ячеек снабжена накопителем электроэнергии (10), который через второй коммутатор (11) подключен к выходу выпрямителя (7). Блок управления (12) каждой однофазной ячейки, снабженной накопителем (10), выполнен с возможностью перевода этой ячейки в режим накопления энергии и в режим выдачи накопленной энергии. В первом из этих режимов выпрямитель (7) и коммутаторы (9) и (11) включены, а инвертор (8) выключен. Во втором режиме выпрямитель (7) и коммутатор (9) выключены, коммутатор (11) включен, инвертор (8) включен и работает. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах электропривода с пониженной частотой вращения, а также в установках депарафинизации нефтяных скважин. Техническим результатом является увеличение надежности за счет отсутствия разрыва тока в силовой цепи, повышение качества выходного напряжения и повышение электромагнитной совместимости устройства с питающей сетью. В преобразователе частоты используется способ управления многофазным реверсивным мостом, подключенным к вторичной круговой обмотке трансформатора с вращающимся магнитным полем, где система импульсно-фазового управления обеспечивает нарастающую задержку сигналов управления ключами, коммутирующими отводы круговой обмотки, относительно фазы питающей сети. Коммутация производится между парами отводов, в момент равенства их ЭДС, что в результате обеспечивает понижение частоты основной гармоники выходного напряжения и отсутствие разрыва кривой тока при коммутации отводов круговой обмотки. 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах электропривода с пониженной частотой вращения, а также в установках депарафинизации нефтяных скважин. Техническим результатом является увеличение надежности за счет отсутствия разрыва тока в силовой цепи, повышение качества выходного напряжения и повышение электромагнитной совместимости устройства с питающей сетью. В преобразователе частоты используется способ управления многофазным реверсивным мостом, подключенным к вторичной круговой обмотке трансформатора с вращающимся магнитным полем, где система импульсно-фазового управления обеспечивает нарастающую задержку сигналов управления ключами, коммутирующими отводы круговой обмотки, относительно фазы питающей сети. Коммутация производится между парами отводов, в момент равенства их ЭДС, что в результате обеспечивает понижение частоты основной гармоники выходного напряжения и отсутствие разрыва кривой тока при коммутации отводов круговой обмотки. 3 ил.
Наверх