Вентильный преобразователь частоты с непосредственной связью

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБР Е1 ЕН И Я пи11 558362

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 30.11.72 (21) 1851409/07 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 15.05.77. Бюллетень № 18

Дата опубликования описания 06.07.77 (51) M. Кл.а Н 02М 5/27

Государственный комитет

Совета Министоов СССР (53) УДК 621.314.27 (088.8) по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения Е. Я. Бухштабер, А. Б. Миндлин, Ю. М. Андреев и В. В. Селиверстов (71) Заявитель Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кранового и тягового электрооборудования (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С

НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ СВЯЗЬЮ

Изобретение относится к области силовых статических преобразователей частоты и может быть использовано для электрического привода с частотным управлением.

Известны вентильные преобразователи частоты с непосредственной связью для частотноуправляемого электропривода.

Один из известных вентильных преобразователей частоты с непосредственной связью содержит входные дроссели и конденсаторы на выходе преобразователя, включенные на линейное напряжение. При этом число входных дросселей в два раза больше числа фаз источника питания. Для ограничения напряжения на выходе и возврата реактивной энергии и энергии, запасенной в движущихся частях при торможении, к выходу преобразователя подключается дополнительный выпрямительный мост с L С фильтром и инверторный мост, возвращающий энергию непосредственно на зажимы источника питания (1). Это приводит к значительному увеличению массы и габаритов оборудования и повышению его стоимости.

Известен также непосредственный преобразователь частоты с дроссельно-конденсаторным фильтром на входе и конденсатором на выходе, который используется в качестве промежуточного звена высокой нерегулируемой частоты, напряжение которого поступает на второй непосредственный преобразователь; последний создает многофазное регулируемое по частоте напряжение. (П).

Однако в подобном преобразователе имеет место двойное преобразование энергии: сначала в преобразователе высокой частоты, а затем в преобразователе, создающем многофазное напряжение регулируемой частоты.

Это также приводит к увеличению массы и

10 габаритов преобразователя и повышению его стоимости.

С целью упрощения преобразователя и расширения диапазона регулирования выходной частоты в предлагаемом устройстве отноше15 ние реактивных сопротивлений (на частоте источника питания) конденсаторов, включенных на выходе, к сопротивлению дросселей, включенных на входе, равно или больше квадрата эквивалентного числа фаз питающего

20 напряжения.

При таком соотношении сопротивлений реактивных элементов, подключенных к преобразователю, возможно получение на выходе

25 напряжения, регулируемого по частоте в широких пределах: от пусковых частот, составляющих единицы Гц, до частот, превышающих частоту напряжения источника питания без дополнительных преобразующих уст30 ройств.

558362

10 (4) 15

Хс 2 х

T 2к

4 = — = ЗУ л, m (2) На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — показаны временные диаграммы (а, б, в) включения вентилей, напряжения на выходе и тока, протекающего по вентилям, при частоте выходного напряжения значительно ниже частоты источника питания; на фиг. 3 — то же, при частоте выходного»апряжения, превышающего частоту источника питания.

Предлагаемый преобразователь может быть предназначен для работы от однофазного и многофазного источника напряжения с однофазным или многофазным выходом.

Рассмотрим для примера преобразователь с трехфазным входом и однофазным выходом, принципиальная схема которого представлена на фиг. 1.

Устройство содержит входные дроссели 1, количество которых равно числу фаз источника питания, блок управляемых вентилей преобразователя 2, коммутирующий нелинейный дроссель 3, конденсатор 4, параллельно зажимам которого подключается активно-индуктивная нагрузка, например, фаза двигателя, представленная в виде последовательно включенных дросселя 5 и резистора 6.

В качестве управляемых вентилей в преобразователе могут быть использованы симисторы 7 — 12 или встречно-параллельно включенные тиристоры, в последнем случае их число должно быть в два раза больше.

Во время работы преобразователя происходит попарное включение вентилей на линейное напряжение, мгновенное значение которого выше напряжения на конденсаторе; заряд его до напряжения, превышающего это напряжение к моменту окончания заряда; рекуперация части запасенной энергии обратно на источник питания путем включения тех же (симметричных) вентилей, но на встречное направление (или встречно включенных тиристоров) . За счет этого осуществляется модуляция напряжения на конденсаторе по любому закону, в том числе и по синусоиде, а также регулирование выходного напряжения на частотах ниже частоты источника питания.

Если отношение реактивных сопротивлений (на частоте источника питания) конденсатора 4, включенного на выходе Х„к сопротивлению Х . дросселей 1, включенных на входе, равно или больше квадрата эквивалентного числа фаз питающего напряжения m то период собственных колебаний 1 — С контура Т „ образованного входными дросселями и выходным конденсатором, выше межкоммутационного интервала 4 преобразователя

05 где Т вЂ” период питающего напряжения, угловая частота которого ю=2л) =2л, Т, à m— эквивалентное число фаз питающего напряжения, равное числу коммутаций преобразователя за период при работе в выпрямительпом режиме.

Иначе говоря т

" — )и или т„

) Щ

Поскольку

2 1 1

<Ов сс х, х то из (3) и (4) легко перейти к (1) .

Поэтому, если включение пары вентилей происходит в момент естественной коммутации в выпрямительном режиме, то к моменту следующей естественной коммутации через интервал времени, равный 4, все вентили окажутся выключенными, а мгновенное напряжение на конденсаторе 4 ниже мгновенного значения линейного напряжения, на которое должна включиться очередная пара вентилей.

Для примера рассмотрим работу преобразователя при частоте выходного напряжения, много меньшей частоты источника питания.

Для иллюстрации этого режима на фиг. 2 приведены следующие временные диаграммы: а) включения управляемых вентилей; номер в скобках показывает направление проводимости вентилей (1) — от источника к нагрузке, а (2) — от нагрузки к источнику; б) напряжение на,конденсаторе U„; (показано жирной линией) и мгновенные значения линейных напряжений U», Uac,Uc (показаны тонкой линией) и фазных напряжений источника U>, U>, Uc (пунктирной) . в) токи вентилей: при потреблении от источника 1,„, рекуперации (инвертировании на источник) — 1, (последние показаны затемненными); ток нагрузки на выходе преобразователя — 4.

Включение вентилей 7 (1) (в направлении от источника к нагрузке) и 10 (2) (от нагруз,ки к источнику) в момент, принятый за О, приводит к росту напряжения на конденсаторе (кривая Уск) и потреблению тока от источника до тех пор, пока напряжения 1 ск не превысит напряжение источника питания; ток через вентили после этого спадает до нуля и вентили запираются. Для частичного разряда конденсатора (при модуляции выходного напряжения) сразу же или с небольшой паузой включаются те же вентили, но на встречное направление тока: 7 (2) и

10 (1) и конденсатор быстро разряжается до напряжения ниже мгновенного значения линейного напряжения источника, пока ток, протекающий по вентилям 7 (2) и 10 (1), не спадет до нуля и они не выключатся. После этого могут быть включены вентили 7 (1) и

558362

50

55 б0 б5

12 (2) для заряда конденсатора, а после их выключения — вентили 7 (2) и 12 (1) — для разряда. Далее будут включаться вентили 9 и 12; 9 и 8; 8 и 11; 10 и 11 и, наконец, вновь

7 и 10 и т. д.

Если при включенном состоянии, например, вентилей 9 (1) и 12 (2). поступил сигнал о необходимости смены полярности, то он задерживается на постоянное время задержки после чего включается предыдущая по номерам пара вентилей 7 (2) и 12 (1) (для осуществления режима рекуперации запасенной в конденсаторе энергии на источник, на линейное напряжение U ) . Вентили 7 (2) и

12 (1) выключатся после того, как мгновенное напряжение на,конденсаторе изменит знак и по абсолютному значению превысит мгновенное значение линейного напряжения.

3а счет тока нагрузки, направление которого еще не успело измениться, конденсатор 4 продолжает заряжаться, и напряжение на нем будет повышаться, пока ни одна из пар вентилей 7 — 12 не включена. Для ограничения напряжения на конденсаторе и фопмирования гладкой составляющей выходного напряжения преобразователя или тока нагрузки производится повтопное пекуперирование энергии, запасенной в конденсатопе 4 íà Uлс путем повторного включения вентилей 7 (1! и 12 (2). Теперь. в связи со сменой поляпности выходного напряжения это наппавление тока будет током рекуперации (,, ), а встречное — током потребления. Поэтому оба импульса тока и пои включении вентилей

7 (2) и 12 (1) и 7 (1) и 12 (2! являются импульсами тока рекупепации и зачепнены. После выключения вентилей 7 (1) и 12 (2) для ускопения запяда конденсатопа могут быть вновь включены те же вентили 7 (2! и 12 (2), но во встречном направлении, для рекуперации энепгии на источник. Лалее ппоисходит спадание до нуля тока нагрузки и изменение

его направления. включаются вентили 9 (2) и

12 (1) для заряда конденсатора, а потом вентили 8 (1) и 12 (2) согласно диаграмме.

Изменением соотношения между потребляемой и рекуперируемой конденсатором энергией регулируется среднее значение напряжения за полупериод. При росте выходной частоты преобразователя необходимо повышать напряжение. При частотах, превышающих частоту напряжения питания, конденсатор может одновременно подключаться к источнику питания для ползаряда тремя вентилями. Вентили, проводящие ток в одном направлении, разделены входными дросселями 1, и один из них вьгключится первым, а затем, после зарядки конденсатора до напряжения, превышающего амплитуду линейного напряжения, выключатся два другие.

Для иллюстрации этого режима на фиг. 3 приведены временные диаграммы (такие же, как на фиг. 2) при частоте выходного напря10

35 жения, более чем в двое превышающего частоту напряжения питания.

На фиг. 3 показано включение вентилей

7 (1), 10 (2) и 11 (1). Через некоторое время выключается вентиль 11 (1), а несколько позже и другие: 7 (1) и 10 (2). Если снижение напряжения за счет частичной рекуперации энергии не требуется, то в течение времени Л4 ни один вентиль не включается, а питание нагрузки осуществляется от конденсатора за счет запасенной в нем энергии. По прошествии времени +tn включаются вентили

8 (1), 9 (2), 11 (2) на то линейное напряжение, мгновенное значение которого максимально, и происходит перезаряд конденсатора.

Предельная частота напряжения преобразователя будет такой, при которой Л4 снижается до нуля, à t, — время проводимости вентиля — будет равно полупериоду выходной частоты, т. е. /„(макс) =1/2.1,.

Время t, равно полупериоду частоты f, êîлебаний 6 †контура с нагрузкой, à f„,— всегда несколько выше частоты f„.=2л/о, Величина и,; определяется индуктивностью дросселей и емкостью конденсатора в соответствии с выражениями (1) и (4!.

При выполнении преобпазователя согласно данному изобретению с многофазным выходом число конденсаторов равно числу фаз на выходе. В этом случае в отношении (1) участвует суммарное реактивное сопротивление включенных на выходе конденсаторов. Так, 2 при трехфазном выходе Лс= —:Х... где Մ— емкостное сопротивление каждого из конденсаторов, включенных на выходе.

Испытание данного преобразователя при питании от источника с неизменным действующим зна ением напряжения U и неизменной частотой f показали возможность регулипования выходной частоты в пределах от 0,005f до (2,8 — 3,3) f и действуюшего значения выходного напряжения от (0,07 — 0,1! U npu частотах (0.005 — 0,5) f и до (1,8 — 2,5) U npu частотах, близких к верхнему пределу.

Формула изобретения

Вентильный преобразователь частоты с непосредственной связью для частотноуправляемого электропривода. содержащий управляемые вентили с системой управления, дроссели, включенные на входе преобразователя, и конденсаторы на его выходе. о т л и ч а юшийся тем, что с целью упрощения и расширения диапазона регулирования выходной частоты, отношение реакт IBHbIx сопротивлений (на частоте источника питания) конденсаторов на выходе к сопротивлению дросселсй, включенных на входе, равно или больше квадрата эквивалентного числа фаз питающего напряжения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Патент ЧССР № 136331, кл. 21d 12/03 (Н 02, опубл. 1971).

2. Грабовецкий Г. В. и др. «Разработка и исследование вентильного преобразователя частоты для регулирования скорости,корот558362 козамкнутого асинхронного двигателя». Доклад на научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития производства и внедрение силовых полупроводниковых

5 вентилей и преобразовательных устройств на их основе», ВНИИЭИ, М., 19бб.

Фиг 7

558362

Фиг.3

Составитель Г. Мыцыек

Редактор М. Афанасьева Техред М. Семенов Корректор Т. Добровольская

Заказ 1269/13 Изд. Ко 4б3 Тираж 914 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР

II0 делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2