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.
