Понижающий преобразователь частоты

Авторы патента:

Душкин Юрий Владимирович (RU)

Потего Пётр Иванович (RU)

Черевко Александр Иванович (RU)

Коптяев Евгений Николаевич (RU)

Атрашкевич Павел Васильевич (RU)

Кузнецов Иван Васильевич (RU)

H02M5/16 - для преобразования частоты

Владельцы патента RU 2558390:

Коптяев Евгений Николаевич (RU)

Изобретение относится к силовой электротехнике и может быть использовано в системах электропривода с плавной регулировкой скорости вращения, в том числе гребного, а также в установках депарафинизации нефтяных скважин. Преобразователь частоты содержит полупроводниковый коммутатор, подключенный к вторичной круговой обмотке трансформатора с вращающимся магнитным полем. Система импульсно-фазового управления обеспечивает нарастающую задержку сигналов управления ключами, коммутирующими отводы круговой обмотки, так что каждая следующая коммутация пары отводов круговой обмотки имеет период, больший на определенное значение, определяемое коэффициентом преобразования частоты, что в результате обеспечивает понижение частоты основной гармоники выходного напряжения. Техническим результатом является увеличение надежности за счет отсутствия конденсатора в силовой цепи и отсутствие промежуточного звена постоянного тока, повышение качества выходного напряжения с возможностью его улучшения за счет введения дополнительных отводов круговой обмотки и повышение электромагнитной совместимости устройства с питающей сетью. 5 ил., 3 табл.

Область техники, к которой относится изобретение

Уровень техники

Из уровня техники известен многофазный преобразователь частоты с вращающимся магнитным полем [Авторское свидетельство СССР №738068], содержащий магнитопровод с расположенной на нем многофазной соединенной "звездой" первичной обмоткой, концы которой через ключевые элементы соединены с выводами для подключение источника питания, и многофазной вторичной обмоткой, при этом в каждой фазе первичная обмотка выполнена из двух ветвей противоположной полярности, каждая из которых состоит из двух секций, соединенных согласно-последовательно и подключенных одноименными выводами к соответствующим ключевым элементам данной фазы. Магнитопровод состоит из двух частей с противоположной направленностью намотки первичной и вторичной обмоток.

К недостаткам этого решения можно отнести наличие у первичной обмотки трансформатора ветвей противоположной полярности, что ведет к ухудшению массогабаритных показателей и усложнению технологии изготовления. Большое число отводов первичной обмотки, коммутируемых полупроводниковыми ключами, ведет к ухудшению электромагнитной совместимости с питающей сетью.

Также известен трехфазный преобразователь частоты [патент РФ №2217857], содержащий два комплекта, соединенных в мостовую схему и включенных встречно-параллельно тиристоров, входы каждого комплекта тиристоров соединены с источником трехфазного напряжения повышенной частоты, а выход каждого комплекта тиристоров подключен к схеме искусственной коммутации, причем выход первого комплекта тиристоров подключен к началу первой первичной обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем, выход второго комплекта тиристоров подключен к концу первой первичной обмотки этого трансформатора, при этом вторая первичная обмотка трансформатора смещена в пространстве относительно первой на угол 90° и соединена с концом первичной обмотки трансформатора, а ее начало через фазосдвигающий конденсатор соединено с началом первой первичной обмотки. Выходом преобразователя служат три вторичные обмотки трансформатора, сдвинутые одна относительно другой на 120° и соединенные по схеме "звезда", к которым подключается трехфазная нагрузка. Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к предлагаемому изобретению.

К недостаткам такого решения можно отнести наличие фазосдвигающего конденсатора в цепи второй первичной обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем, что снижает надежность и ухудшает массогабариты. Использование тиристоров требует применения коммутирующего устройства для их запирания, что ухудшает коэффициент полезного действия, а количество комплектов тиристоров ограничено числом фаз питающей сети, что ограничивает качество выходного напряжения. Преобразователь требует повышенной частоты источника питания, что ограничивает область использования.

Раскрытие изобретения

Основным типом привода различных машин и механизмов, в том числе в гребном электроприводе судов, является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. До сих пор он является самым массовым и надежным типом электродвигателя. Два основных недостатка асинхронного двигателя - это невозможность простой регулировки скорости вращения ротора, очень большой пусковой ток - в пять, семь раз превышающий номинальный. Если использовать только механические устройства регулирования, то указанные недостатки приводят к большим энергетическим потерям и к ударным механическим нагрузкам. Это крайне отрицательно сказывается на сроке службы оборудования.

Современная мировая тенденция - это применение плавного пуска двигателя при помощи регулируемого преобразователя частоты. Частотный преобразователь снижает пусковые токи в 4-5 раз. Он обеспечивает плавный пуск асинхронного двигателя и осуществляет управление приводом по заданной формуле соотношения напряжение/частота. Частотный преобразователь дает экономию по потреблению энергии до 50%. Появляется возможность включения обратных связей между смежными приводами, т.е. самонастройки оборудования под поставленную задачу и изменение условий работы всей системы.

Еще одно применение - это системы депарафинизации нефтяных скважин, в которых требуется знакопеременное напряжения (для избегания процессов электролиза) пониженной частоты (1-5 Гц).

Простейшим случаем преобразования частоты являются инверторы с прямоугольной формой выходного напряжения, в которых преобразование постоянного напряжения первичного источника в переменное достигается с помощью группы ключей, периодически коммутируемых таким образом, чтобы получить знакопеременное напряжение на зажимах нагрузки.

Инверторы напряжения со ступенчатой формой кривой выходного напряжения работают при помощи предварительного высокочастотного преобразования, когда формируются однополярные ступенчатые кривые напряжения, приближающиеся по форме к однополярной синусоидальной кривой с периодом, равным половине периода изменения выходного напряжения инвертора. Затем с помощью, как правило, мостового инвертора однополярные ступенчатые кривые напряжения преобразуются в разнополярную кривую выходного напряжения инвертора.

Инверторы с синусоидальной формой выходного напряжения при помощи предварительного высокочастотного преобразования получают напряжение постоянного тока, значение которого близко к амплитудному значению синусоидального выходного напряжения инвертора. Затем это напряжение постоянного тока с помощью, как правило, мостового инвертора преобразуется в переменное напряжение по форме, близкое к синусоидальному, за счет применении соответствующих принципов управления транзисторами этого мостового инвертора (принципы так называемой многократной широтно-импульсной модуляции). Затем с помощью высокочастотного фильтра нижних частот выделяется синусоидальная составляющая выходного напряжения инвертора.

Как правило, в существующих статических преобразователях трансформаторы применяются только для согласования напряжения питающей сети с напряжением на выходе преобразователя. Разнообразие типов полупроводниковых преобразователей обусловило использование трансформаторов различных типов и конструкций. В мощных статических преобразователях частоты чаще всего используется звено постоянного тока, получаемое выпрямлением переменного напряжения сети, а для гальванической развязки и согласования напряжения используется силовой трансформатор. При этом чаще всего используются трансформаторы с пульсирующим магнитным полем, в трехфазном варианте и соединением обмоток звезда/треугольник для получения 12-пульсной схемы выпрямления.

Одним из способов повышения качества выходного напряжения и потребляемого тока выпрямителей являются трансформаторы с вращающимся магнитным полем, которые позволяют реализовать многопульсные схемы с большим количеством отводов круговой обмотки. В данный момент есть преобразователи частоты, в которых используется трансформатор с вращающимся полем.

В известных на данный момент технических решениях (например, производства ОАО "Силовые Машины", а также фирмы Mitsubishi) трансформатор с вращающимся магнитным полем используется как умножитель числа фаз в составе промежуточного звена постоянного тока и имеет две вторичные трехфазные обмотки, сдвинутые на 30 электрических градусов.

Для улучшения электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей и, в частности, преобразователей частоты и улучшения качества выходного напряжения и потребляемого из сети тока все чаще используется новый тип согласующих трансформаторов с вращающимся полем. В основе таких трансформаторов лежит асинхронный двигатель с заторможенным ротором, при этом, как правило, число зубцов "статора" совпадает с числом зубцов "ротора", либо, как вариант, первичная и вторичная обмотки укладываются в общий паз. В качестве обмотки переменного тока используется многофазная (чаще всего трехфазная) обмотка по типу статорных обмоток электрических машин переменного тока. В качества обмотки на стороне постоянного тока используется круговая обмотка по типу якорных обмоток машин постоянного тока, уложенная в пазах и разделенная на секции с отводами от них.

Обобщенная схема преобразователя на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем показана на фигуре 1. При работе такого преобразователя в режиме выпрямителя многофазная первичная обмотка создает вращающееся магнитное поле, имеющее пространственное распределение и перемещающееся (вращающееся) во времени, наводя во вторичной круговой обмотке переменную ЭДС. При заданном направлении вращения магнитного поля полярность индуцируемой в секциях круговой обмотки ЭДС будет зависеть от того, какой магнитный полюс на них воздействует. При этом во всех проводниках, расположенных под одним магнитным полюсом, полярность ЭДС будет одинаковой. Вместе с магнитным полем, созданным первичной обмоткой, вращается и геометрическая ось симметрии системы ЭДС круговой обмотки. Секции круговой обмотки, в которых наводится ЭДС, располагаются по обе стороны от оси симметрии. Половины круговой обмотки, определяемые геометрической осью симметрии (называемой диагональю круговой обмотки), имеют встречную полярность и равны друг другу по модулю. Равенство суммы ЭДС всех секций круговой обмотки предопределяет отсутствие кольцевых уравнительных токов. Круговая обмотка замкнута и симметрична, но при отсутствии внешней нагрузки тока в ней нет, поскольку ЭДС всех ее секций уравновешивают друг друга при условии симметрии первичной питающей сети. Максимальное выходное напряжение снимается с отводов круговой обмотки, расположенных на диагонали друг к другу, совпадающей с геометрической осью симметрии системы ЭДС. Коммутируя отводы ее диагонали вслед за вращением магнитного поля, получают выпрямленное напряжение.

В основе преобразования частоты напряжения лежит рассмотрение переменного тока как периодически реверсируемого постоянного тока, из-за чего все устройства, реализующие такое преобразование, основаны на многофазной мостовой схеме, состоящей из полупроводниковых ключей с двунаправленной проводимостью. Форма выходного напряжения при этом находится в зависимости от коммутационной функции полупроводникового коммутатора на базе реверсивной мостовой схемы. Простейшим случаем является преобразование постоянного напряжения с прямоугольной формой выходного напряжения. При этом преобразование постоянного напряжения первичного источника в переменное достигается с помощью полупроводниковых ключей, периодически коммутируемых таким образом, чтобы получить знакопеременное напряжение на зажимах нагрузки.

В основе предлагаемого способа преобразования частоты лежит коммутация диаметральных отводов круговой обмотки, в чем оно подобно режиму выпрямителя. Частота выходного напряжения преобразователя частоты при этом определяется временем нарастающей задержки коммутации отводов первичной круговой обмотки относительно вращения оси симметрии системы ЭДС (диагональю круговой обмотки).

В таблице 1, таблице 2 и таблице 3 приведены параметры преобразования частоты напряжения питающей сети в выходное напряжение с частотой, пониженной соответственно в 2, 3 и 4 раза. Таблицы составлены для случая использования 4 отводов круговой обмотки.

При этом число "ступеней" выходного напряжения составляет то есть 8 ступеней (где Nко - это число отводов круговой обмотки). Длительность одной ступени выходного напряжения где k - коэффициент преобразования частоты. Период выходного напряжения будет составлять то есть 40 (4π), 60 (6π) и 80 (8π) миллисекунд при частоте питающей сети 50 Гц.

Отличие предлагаемого преобразователя частоты от прототипа заключается в способе управления многофазным мостом, подключенным к вторичной круговой обмотке трансформатора с вращающимся магнитным полем. При этом способе система импульсно-фазового управления обеспечивает нарастающую задержку сигналов управления ключами, коммутирующими отводы круговой обмотки, так что каждая следующая коммутация пары отводов круговой обмотки имеет период, больший на определенное значение, определяемое коэффициентом преобразования частоты, что в результате обеспечивает понижение частоты основной гармоники выходного напряжения.

Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:

- трансформатор с вращающимся магнитным полем питается переменным током напрямую от трехфазной силовой сети с промышленной частотой без промежуточных преобразований;

- выходное напряжение формируется путем коммутации на стороне вторичной круговой обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем;

- обеспечивается нарастающее отставание коммутации отводов круговой обмотки от фазы питающей сети;

- выходное напряжение пониженной частоты по своей форме лучше приближается к синусоиде;

- возможно значительное улучшение качества выходного напряжения и его гармонического состава простым увеличением числа коммутируемых отводов.

Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - увеличению надежности за счет отсутствия конденсатора в силовой цепи, повышению качества выходного напряжения с возможностью его улучшения за счет использования дополнительных отводов круговой обмотки и повышению электромагнитной совместимости устройства с питающей сетью.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 изображена схема преобразователя на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем. Здесь 1 - трехфазная обмотка, 2 - круговая обмотка с четырьмя отводами, 3 - коммутатор на ключах К1.1÷К4.2. На фигуре 2 изображен график выходного напряжения понижающего преобразователя частоты с 6 отводами круговой обмотки при делении частоты в 2 раза. На фигуре 3 изображен спектральный состав выходного напряжения понижающего преобразователя частоты с 6 отводами круговой обмотки при коэффициенте деления частоты, равном 2. На фигуре 4 изображен график выходного напряжения понижающего преобразователя частоты с 8 отводами круговой обмотки при делении частоты в 2 раза. На фигуре 5 изображен спектральный состав выходного напряжения понижающего преобразователя частоты с 8 отводами круговой обмотки при коэффициенте деления частоты, равном 2.

Способ понижения частоты выходного напряжения в статическом преобразователе на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем, предназначенный для питания систем депарафинизации нефтяных скважин и регулируемого электропривода, содержащий трансформатор с вращающимся магнитным полем, имеющий трехфазную первичную и вторичную круговую обмотку, выполненную по типу якорной обмотки машины постоянного тока, к отводам последней подключены полупроводниковые ключи, составляющие многофазную мостовую схему и управляемые системой импульсно-фазового управления, и отличающийся тем, что импульсы управления силовыми ключами имеют нарастающее запаздывание во времени по отношению к фазе питающей сети, так что каждая следующая коммутация пары отводов круговой обмотки имеет период, больший на определенное значение, определяемое коэффициентом преобразования частоты, а выходное напряжение состоит из фронтов синусоиды напряжения входной частоты и представляет собой случай кусочно-синусоидальной модуляции.

Изобретение относится к устройствам преобразования частоты, ведомых сетью, и может быть использовано в установках, в которых требуется регулирование частоты. .

Низкочастотный преобразователь частоты, ведомый сетью // 2470448

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в электроприводе для управления скоростью асинхронных электродвигателей. .

Преобразователь частоты // 2470438

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

Частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения // 2462804

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может использоваться, например, в регуляторах температуры. .

Способ и устройство бесфильтрового преобразования частоты // 2414042

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования в приемных устройствах и совмещенных приемниках спутниковой навигации с использованием прямого преобразования.

Трехфазный преобразователь частоты // 2400914

Изобретение относится к электротехнике. .

Устройство для регулирования частоты вращения вентилятора электровоза переменного тока // 2285329

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано на электроподвижном составе переменного тока для регулирования частоты вращения вентиляторов с приводными трехфазными асинхронными электродвигателями.

Устройство для регулирования производительности вентилятора электровоза переменного тока // 2285328

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано на электроподвижном составе переменного тока для регулирования производительности вентиляторов с приводными трехфазными асинхронными электродвигателями.

Удвоитель частоты // 2279177

Изобретение относится к электротехнике, к преобразователям частоты, в частности к умножителям трансформаторного типа, например удвоителям, и может быть использовано для питания высокоскоростных электроприводов деревообрабатывающей промышленности, безредукторных центрифуг, для индукционного нагрева больших металлических заготовок и т.д.

Способ преобразования частоты // 2269860

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования частоты многофазного переменного тока. .

Устройство получения регулируемого по частоте напряжения на выходе многофазного генератора переменного тока с постоянной частотой вращения вала // 2580843

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам генерирования электроэнергии с регулированием по частоте и напряжению при постоянной частоте вращения вала. Устройство получения регулируемого по частоте напряжения на выходе многофазного генератора переменного тока с постоянной частотой вращения вала содержит три синхронных генератора переменного тока, объединенных общим приводом, основные трехфазные обмотки статоров которых включены в три ветви таким образом, что в каждую ветвь включены последовательно по три разноименных фазных обмоток, при этом начала ветвей образуют силовой трехфазный выход с напряжением регулируемой частоты, а концы ветвей соединены в “звезду”. Технический результат состоит в снижении массогабаритных характеристик устройства и повышении надежности. 6 ил.

Способ умножения частоты и устройство для его осуществления // 2592864

Изобретение относится к силовой электротехнике и может быть использовано для питания систем автоматики и электродвигателей с повышенной частотой вращения, а также систем индукционного нагрева. Из уровня техники известны различные конструкции ферромагнитных умножителей частоты, принцип действия которых основан на выделении нужной гармоники основной частоты питающей сети с помощью различного рода комбинаций соединения вторичных обмоток и в некоторых случаях резонансных контуров. Суть предлагаемого способа умножения частоты заключается в использовании дополнительной степени свободы структуры трансформатора с вращающимся магнитным полем и за счет резко нелинейного распределения создаваемого первичной трехфазной обмоткой магнитного потока. Таким образом, выходное напряжение формируется из отдельных полуволн, снимаемых с катушек вторичной обмотки и коммутируемых в заданной последовательности, что в результате обеспечивает умножение частоты выходного напряжения. Предлагаемое устройство реализует указанный способ умножения и позволяет получить коэффициент умножения в шесть раз, то есть при частоте питающей сети 50 Гц на выходе умножителя формируется синусоидальное напряжение частотой 300 Гц. Конструкция умножителя является технологичной и подходит для автоматизированной намотки. Техническим результатом является эффективное умножение частоты выходного напряжения, упрощение конструкции трансформатора, увеличение коэффициента полезного действия и повышение электромагнитной совместимости устройства с питающей сетью. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

Преобразователь частоты на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем // 2616971

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям электрической энергии, и может быть использовано для получения высококачественного трехфазного напряжения измененной частоты для питания спецпотребителей в автономных электроустановках. Преобразователь частоты выполнен на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем, имеющего полную геометрическую, электрическую и магнитную симметрии с первичной трехфазной обмоткой, соединенной по схеме «звезда» и включенной на питающую сеть, и круговую обмотку, число секций которой кратно трем и каждый из отводов которой подключен к выходным сборным шинам трехфазного переменного напряжения через группу вентилей из трех полностью управляемых и имеющих двустороннюю проводимость в открытом состоянии силовых ключей. Силовой коммутатор включает вентили таким образом, что на выходные сборные шины вторичного трехфазного напряжения производится подключение отводов круговой обмотки, электрический потенциал в которых имеет взаимный фазовый сдвиг, равный 2π/3, при этом включение и отключение двух соседних отводов производится с перекрытием по времени, в результате чего происходит выравнивание их потенциалов, что приводит к улучшению формы выходного напряжения и уменьшению коэффициента гармоник, а изменением длительности включенного состояния силовых ключей, составляющих группы вентилей, производится изменение частоты выходного напряжения. 1 табл., 7 ил.

Статический многоуровневый преобразователь частоты для питания синхронных и асинхронных электродвигателей // 2634480

Изобретение относится к области электротехники, а именно к многоуровневым преобразователям частоты, и может быть использовано для пуска и регулирования скорости вращения асинхронных и синхронных электродвигателей. Технический результат заявляемого устройства - обеспечение выявления выходного напряжения статического многоуровнего преобразователя частоты (СМПЧ) при однофазном замыкании (ОЗЗ) как при номинальных значениях, так и при малых значениях выходного напряжения и, соответственно, предотвращение последствий аварийной ситуации на начальной стадии запуска электродвигателя при невысоком уровне выходного напряжения СМПЧ. Технический результат достигается тем, что в статическом многоуровневом преобразователе частоты для питания асинхронных и синхронных электродвигателей, блок управления выполнен с входом «Блокировка», введен блок защиты при однофазном замыкании на землю с аналоговым входом управления и дискретным выходом «Авария», содержащий резистивный делитель напряжения, являющийся аналоговым входом блока защиты, интегратор, двухполярный пороговый элемент с прямым и инверсным входами, RS-триггер, исполнительный орган, являющийся дискретным выходом блока защиты, элемент временной задержки и логический элемент 2И, выход делителя напряжения соединен с входом интегратора, выход которого присоединен к входу порогового элемента, прямой выход порогового элемента соединен с S-входом RS-триггера, а его выход с входом исполнительного органа и элемента временной задержки, логический элемент 2И по цепям входов соединен с инверсным выходом порогового элемента и элемента временной задержки, а по цепи выхода - с R-входом RS-триггера, при этом резистивный делитель напряжения присоединен одним выводом к общей точке силовых модулей, соединенных в звезду, а вторым - к цепи контура заземления, выход исполнительного органа присоединен к входу «Блокировка» блока управления. 2 ил.

Способ преобразования частоты // 2639048

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразователях частоты систем электродвижения судов переменного тока, а также в тяговом электроприводе. Техническим результатом является улучшение технических и эксплуатационных характеристик непосредственных преобразователей частоты, в том числе на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем. В способе преобразования частоты используют соотношения, равное натуральному числу е (приближенно равно 2,72), так что суммирование двух взаимно обратных функций напряжения дает результирующую гладкую функцию, без разрывов и с улучшенным гармоническим составом. В результате отсутствуют разрывов кривой выходного напряжения, что позволяет реализовать режим естественной коммутации и увеличение надежности за счет улучшения условий коммутации, что повышает качество выходного напряжения с возможностью значительного его улучшения за счет незначительного увеличения числа отводов круговой обмотки. 5 ил.

Магнитоэлектрический преобразователь ток - напряжение с удвоением частоты // 2642497

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в цепях переменного тока для преобразования тока в напряжение с удвоением частоты выходного сигнала. Преобразователь представляет собой структуру из конденсатора, обкладками которого являются изготовленные из магнитострикционного металла пластины, механически связанные с расположенной внутри них пьезоэлектрической пластиной и намотанной на него катушкой индуктивности, и магнитопровода, выполненного в виде двух П-образных пластин, вплотную примыкающих к магнитострикционным пластинам, что обеспечивает замыкание магнитного потока. Входным сигналом является ток катушки индуктивности, а выходной сигнал снимается с обкладок конденсатора. Технический результат состоит в том, что для работы преобразователя не требуется создания поля подмагничивания, и он содержит магнитопровод, который обеспечивает замыкание магнитного потока, что приводит к уменьшению потерь энергии. 1 ил.