Многофазный преобразователь частоты с вращающимся магнитным полем

 

ЗСЕСОНЭЛНЛЩ, итгнтя -- -, -рд;,,:

О П И С А Н -И"- Е"

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

< 1738О68

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 221277 (21) 2558668/24-07 с присоединением заявки М

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет—

Опубликовано 3QQ58Q. Бюллетень Hо 20 (53) УДК 621.314. .263 (088.8) Дата опубликования описания 300580 (72) Автор изобретения

A.C.Àéíâàðã (71) Заявитель

/(54) МНОГОФАЗНЫИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Данному преобразователю присущи сложность силовой схемы, связанная с необходимостью увеличения числа отводов преобразователя числа фаз и числа ключей для получения удовлетворительной формы кривой выходного напряжения; сложность управления, связанная с необходимостью формирования управляющйх сигналов, частота которых равна разности между требуемой частотой и частотой питания.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. Упрощение силовой схемы и управления преобразователем.

Указанная цель достигается тем, что в многофазном преобразователе частоты с вращающимся магнитным полем, содержащем магнитопровод с расположенными на нем многофазной соединенной в звезду первичной обмоткой, концы которой через ключевые элементы соединены с выводами для подключения источника питания, и многофазной вторичной обмоткой, в каждой фазе первичная обмотка вйполнена из двух ветвей противоположной полярности, каждая из которых состоит из двух секций, соединенных

Изобретение относится к электрс технике и может использоваться в преобразовательных установках и системах электропривода, где требуется регулирование частоты в обе стороны относительно частоты питающей сети.

Известны непосредственные преобразователи частоты, в которых каждая фаза нагрузки подключается к фазам питающей сети или к отводам трансформаторного преобразователя числа фаз циклически через равные промежутки времени. Такие преобразователи экономичны и обеспечивают плавное регулирование частоты в обе стороны относительно частоты питания, однако их силовые схемы и схемы управления сложны.

Наиболее близким к даннсму устрой-2О ству по технической сущности является многофазный преобразователь час тоты с вращающимся магнитным полем, содержащий магнитопровод с расположенными на нем многофаэной соединенной звезду первичной обмоткой, концы которой через ключевые элементы соединены с выводами для подключения источника питания, и многофазной вторичной обмоткой.. Ы .! (51 )и. Кл.2

Н 02 M 5/16

738()68

35 согласно-последовательно и подклю (енйж одйоимейными выводаяи к соответствующим ключевым элементам данной фазы. Кроме того, в многофаэном преобразователе частоты с вра щающимся магнитным полем магнито провод состоит из двух частей, причем расположенные на них первичные и вторичные обмотки имеют противоположные направления намотки витков.

Благбдаря укаэаннойу выпблйению формирование вращающегося магнитного — поля и регулирование частоты его вращения осуществляется не междуфазными переключениями, а путем переключения чисел и полярности ветвей каждой, фазы. Этим достигается уменьшение числа ключей силовой схемы и одновременйо упрощение управления, кото-

Рое становится" не частотным, "а программным.

Сущность изобретений поясняется 2О чертежами, где на фиг.1 показан прймер выполнения магнитопровода преобразователя; йа фиГ.2 - йример выполнения одной ветви кащцой "фаэМ;. на фиг.3 - схема подключения первичной обмотки; на фиг.4 — трехфазная система токов первичной обмотки при отсутствии переключений; на Фиг.5 пространственное распределение чисел витков фаз первичной обмотки; на фиг.6 — вращающееся магнитное поле при отсутствии переключений; на фиг.7 — получение удвоенной частоты вращения магнитного поля; на фиг.8 получение учетверенной частоты вращения магнитного поля; на фиг. 9 получение половинной частоты вращения магнитного поля; на фиг.10 получение полуторакратной частоты вращения магнитного поля; на фиг.11 .времейные диаграммы намагничивающих 4() сил трех фаз и их сумма при половин ной частоте вращения; на фиг.l2 сХема преобразователя c двумя магнитопроводами с использованием естественной коммутации тиристоров.

Магнитопровод преобразователя, изображеннйй на фиг.1, выполнен по типу магнйтных систем электрических машин переменного тока. Магнитопро вод мбжет быть выполнен цельным с отверстиями или для удобства монтажа разъемным; т,е . cîñòoÿöèì èç"ð âóõ частей, аналогичных статору и рото-ру электрических машин и имеющих пазы для укладки обмоток. На фиг.1 линия разъема показана пунктиром по 55 осям отверстий (пазов) .

В отверстиях или пазах магнито-; провода уложены первичная обмотка и вторичная обмотка",""выйолйейные "" по типу обычных многофазных Распре- щ деленных обмоток электрических машин и имеющие одинаковые числа полюсов.

Числа фаз могут быть различны. Ко вторичной обмотке пОдключена много фазная нагрузка.

Каждая фаза первичной обмотки . состоит из четырех идентичных ветвей.

На фиг.2 показан пример выполнения одной ветви каждой иэ трех фаэ, а именно ветвь фазы A показана штрихпунктирной линией, ветвь фазы В линией тире-две точки и ветвь фаэй

С - пунктирной линией. Как видно иэ фиг.2,каждая фазная ветвь выполнена по типу простейшей двухполюсной обмотки с полным шагом (4 паза на полюс и фазу) .

На фиг.3 представлена схема подключения первичной обмотки к зажимам A,В,C,О питающей сети. Четыре идентичные секции двух ветвей каждой фазы имеют попарно-противоположную маркировку выводов (полярность).

Полярность обмоток показана на фиг.3 точками. Каждые две секции одной полярности, соединенные последовательно, подключены к фазному напряжению источника питания через ключ.

Точка соединения двух секций одной полярности также подключена к той же фазе через ключ. Таким образом, к каждой фазе источника питания подключены одноименные выводы всех четырех секций. Все ключи полностью управляемые и безинерционные.

В дальнейшем изложении предполагаем, что все ключи на фиг.3 пронумерованы слева направо. При замкнутом первом -ключе и разомкнутых остальных к фазе А подключена одна секция условно положительной полярности, при замкнутом втором ключе — две секции той же полярности, при замкнутом третьем ключе — одна секция условно отрицательной полярности, при замкнутом четвертом ключе две секции отрицательной полярности.

Аналогичным образом подключаются четыре секции обеих полярностей фазы

В вторыми четырьмя ключами и фазы Состальными четырьмя ключами.

Фазные токи угловой частоты (в питания трех фаз первичной обмотки при подключении в каждой фазе по одной секции одинаковой полярности изображены на фиг.4: штрих-пунктиром для фазы А, линией тире-две точки для фазы В и пунктирной линией для фазы

С. Такими же линиями на фиг.5 изображены.в развертке окружности магнитопровода- на плоскость пространственные распределения чисел витков W ветвей каждой из трех фаз первичной обмотки. Прй достаточно большом числе пазов каждая секция имеет трапецеидальное распределение чисел витков и функции от пространственной координаты х."

Рассмотрим работу нагруженного преобразователя, пренебрегая током намагничивания. При изменении первичного числа витков в К раз внесенное в первичный контур сопротивление

2 изменяется в К раз (без учета рас. 738068 сеяния), т.е . ток первичной оЪмоткй

1 изменяется практически в 1/K2 раз.

При этом намагничивающая сила (н.с.) данной фазы первичной обмотки изменяется в 1/К .К = 1/К раз. При указан2. ных поочерецных замыканиях первых четырех ключей устанавливаются мгновенные значения н.с. фазы А, равные соответственно +2FA +Р;,, -2, -РА.

Аналогичным образом устанавливаются четыре значения н.с. фазы В в зависимости от положения вторых четырех ключей и фазы С вЂ” от положения остальных четырех ключей.

На фиг,б изображена бегущая (вращающаяся) волна н.с. первичной обмотки или магнитное поле при постоянно эамк- 5 нутых 2-ом, 6-оМ и 10-ом ключах и разомкнутых остальных, т.е. когда к фаэным напряжениям постоянно подклю+ чены ветви одной полярности, н.с. которых равны +F, +F, +F . Эти -go н.с ° имеют такие же трапецеидальные распределения, что и числа витков фазных обмоток и изображены на фиг.б такими же,линиями, Кривые сумм н.с. трех фаз изображены сплошными линиями.. Как в любом трансформаторе с вращающимся магнитным полем, волна н.с. в этом случае вращается вдоль окружности магнитопровода — пространственной координаты х — с угловой скоростью, равной угловой частоте питающего напряжения; на фиг.б показан поворот волн н.с. на пространственный угол 2 " радиан за интервал О uut„ 2%. на фиг".7 показано получение удвоенной скорости вращения волны н.с.

В момент (e4 = О замкнуты ключи 2-й, 6-й и 10-й, как и на фиг.б,и волна н.с. имеет то же положение. В следующий момент ц> = †" ток фазы В

Я ь проходит через нуль (F = О), все ключи фазы A разомкнутй (Р = О), а в фазе С замкнут 9-й ключ, так что н.с. фазы С равна 2Fg она изображена на фиг.7 сдвоенной пунктирной линией. В следующий момент из = †" . g$ замкнуты ключи 3-й б-й и 10-й и й.с.

У фаэ равны — 2F A, F р, и F<,. соответст» венно н.с. фазы А условно отрицательной полярности изображена на фиг. 7 сдвоенной штрих-пунктирной g() линией, а н.с. остальных двух фаэ одинарными линиями. В следующий момент аА Ж (на фиг.б он уже не показан) замкнуты ключи 5-й и .11-й, н с фаз В и С равны 2РВИ -2FC и 55 т.д. Как видно из фиг.7, волна результирующей н.с., изображенная сппошной линией, вращается вдвое быстрее, чем на фиг.б — поворачивается на такой же пространственный угол 27ЦЗ радиан эа вдвое меньшее время O»mg»»- ".40

Фиг,8 поясняет получение учетверенной скорости вращения волны н.с. В момент un = 0 замкнуты те же ключи

2-й, 6-й и 10-й, как и на фиг.б, и волна н.с. имеет то же положение. В следуЮщий момент g = -, изоб раженный на фиг.8, замкнуты ключи

3-й и 9-й, и н.с. фаз А и С райны ..:соотве>гственно -2Рд и 2Р . B следую щий момент со = < (на фиг.8 он уже не показан) замкнут только 11-й ключ, н.с. -2F создается только ;фазой С и т.д. Как видно из фиг.8, при таких переключениях волна ре.зультирующей н.с. вращается вчетверо быстрее, чем на фиг.б — поворачивается на такой же пространственный угол 2 /з радиан за вчетверо меньшее время.

Фиг.9 поясняет получение половинной скорости вращения магнитного поля.

В период О а>Ь - замкнуты только

2-й и 10-й ключи, обуславливая только н.с. F u F . Далее в момент

Qu+= замкнут только 9-й ключ, и н.с.

2 ЯВ равна 2F . Далее в момент Ш1 = замыканием соответствующих ключеи задаются фаэные н.с. -Р, Р и Рс, далее в момент и> Ь = 5 - н.с. -F, и

2F@ и т.д. Как видно йз фиг. 9, волна результирующей н.с. вращается вдвое медленнее, чем на фиг.б. . На фиг.10 поясняется получение частоты вращенйя магнитного поля, в

1,5 раза превьчаающей частоту питания. Переключениями соответствующих ключей задаются в момент Nt,=Î фазные н,c. F< и F>, в момент uut,= — ю

> .FA и Р, в момент (Р+= F и Р

Я в момейт mt, = —" 2F и т.д. Эа время

О О>Ь 2 > волна результирующей э н.с. поворачивается в пространстве на Ж радиан, т.е. угловая частота ее вращения в 1,5 раза больше частоты .питания.

Таким образоМ, показана возможность регулирования частоты вращения волны результирующей í.c., т, е. магнитного поля и, следовательно, выходной частоты преобразователя как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения относительно частоты питания, при чем в широком диапазоне. Эта воз- ° можность достигается переключениями в каждой фазе всего двух значений ампер-витков противоположной полярности, хотя может быть использовано и большее число таких значений — при этом увеличивается число ветвей обмоток и ключей.

Ампер-витки фазных обмоток переключаются через равноотстоящие промежутки времени, в рассмотренных прчмерах через ж1 = ф, не завися щие от достигаемой вйходной частотыI частоты вращения .магнитного поля, :.При этом предполагалось, что за каждый такой промежуток фазный ток достигает ра четного значения, т.е. переходный процесс протекает достаточно быстро. Рассмотрим ограничения, накладываемые временем переход ного процесса. Маис"" «.=- - 49 . -«.Йж4 @%ярк.-=- «««« .«.-.-=. «««Ав«жадйФ за.-:ъс "йъ й««" «:.«"«+ .««« =

7380б 8

Как известно, постоянная времени7 изменения токов в нагруженном трансформаторе определяется, в основном, " " "реактивностями рассеяния. Чтобы свободная составляющая тока переходного процесса практически исчезла за заданный промежуток времени между двумя переключениями, реактивности рассеяния обмоток должны быть достаточно малы. Так как эта составляйщая затухает до 5% от своего первоначального значения за время З,то для

-регулирования с точностью не хуже 5% необходимо, чтобы промежуток временй между двумя переключениями составлял 3 6 . В рассмотренйы«х« приме- рах этот промежуток равнялся Out =- †р Р ь — Поскольку аЛ равно отноьсю шению реактивной мощности трансформатора к активной, то для укаэанного регулирования это отношение не должно превышать ш Г= (о — = — — О, 174.

4..ГС "Ф

Э 6И) 16

Прч активной нагрузке реактивная мощность трансформатора обычнб- не пр« евышает 17Ъ от активной, и данное условие выполняется. При активно-индуктивной нагрузке или повышенных индуктйвностях рассеяния обмоток необхо-.. димо уменьшить точность регулирования. Для уменьшения индуктивностей рассеяния магнитопровод.может быть выполнен в виде набора тороидальных сердечников; при равномерной намотке таких сердечйиков индуктивности рассеяния становятся весьма малы. Вы полненйе таких сердечников из пер-маллоя сводит к минимуму ток намагничивания, который изменяется медленнее тока нагрузки.

Фиг.ll иллюстрирует изме«йение н.с. во времени для частоты вращейия маг-, йитного поля,равной"половйне частоты

:питания, при том же интервале между переключениями оз1 = — . На графике

1L

6 фиг.11 представлены раопдложенные друг под другом н .с. фаэ A,В,С и-.их сумма — результирующая кривая н,с. .Диаграммы TIocTpoeHH для той точки окружности магнитопровода фиг1, в которой отнбсительные значения чисел витков фазных ветвей равны

И, = 1, W>= Х = . ПРи поСтРоенйи диаграммы н.с. принято, что о

Оз Г « О, 174, т.е. что н.с. достигают расчетных значений (фиг.9) к моментам переключений. Сплбйные" линии изображают н.с. при переключениях, = * "бсталъйыйй "-айни ямМ" намеченй "уотайо- вившиеся значения н.с. Из фиг,11 видно, что хотя фазные н.с. экспоненциально изменяющиеся между переклю-.. чениями, несинусоидальными, результирующая н. с. половинной частоты приближается,к синусоиде.

Предлагаемый прес бр азов атЕ«ль" Может быть выполнен с использованием не только полностью управляемых клю-. чей, как -описано выше, йо и тиристоров. На фиг.12 изображен йрй«мер "пре-. образователя, в котором используется естественная коммутация тиристоров. Преобразователь содержит два магнитопровода, каждый иэ которых выполнен, как на фиг.1; эти магнито.проводы показаны на фиг.12 в виде двух сердечников, общих для трех . фаэ.

Каждая фаза первичной обмотки вы° полнена вышеописанным образом, т.е. состоит иэ четырех секций, причем две последовательно соединенные секции одной полярности уложены на одном сердечнике, а секции другой полярности — на втором сердечнике.

Секции трех фаз первичной обмотки подключены к зажимам А« С, О источника питания через тиристоры таким образом, что их полярнбсть в обоих сердечниках относительно вторичных обмоток противоположна. Вторичные

2Q обмотки каждой фазы, расположенные на двух сердечниках и соединенные последовательно, подключены к зажимам а,в,с, о нагрузки.

Отличие работы преобразователя фиг.12 от работы схемы фиг,3 в том, что поскольку тиристор не может быть выключен до конца полупериода, изменение н.с. фазы достигается включением секций первичных обмоток обоих сердечников, действующих в противоположные стороны относительно выходной обмотки. При этом число включаемых секций подбирается так, чтобы алгебраическая сумма н..с. сердечни35 ков равнялась требуемому значению по величине и знаку. Количество сек- ций в каждом сердечнике выбирается так, чтобы обеспечить требуемые значения н.с. для заданных частот. Работа преобразователя на фиг.12 для полу40 чения половинной выходной частоты осуществляется следующим образом, при этом считаем, что тиристоры про- нумерованы слева направо, причем в рассматриваемом интервале 3 <

4 когда ток рассматриваемой фазы A отрицательный (см.фиг,4), могут проводить только нечетные тиристоры.

B момент uut,= 3 включается 7-й

2 тиристор, пропуская ток в две секции втоРого сердечника, так что н.с. равна -ГА. В момент ut = 40 + отпираю6 щим сигналом включается 5-й тиристор, шунтируя вторую секцию и пропуская- ток в первую секцию второго ñåðдечника. Н.с. во втором сердечнике начинает увеличиваться по абсолютной величине и моменту (Ю .= 9

6 достигает устанрвившегося значения

2Г . В этот момент включается 1-й тиристор пропуская ток в две секщ ции первого сердечника. Н.с. первого сердечника за интервал 11 —" <из . 2 K достигает установившегося значения

FA; так что к моменту Ж = 2 и относительно выходной обмотки фазы A дейу ствует реэультйрующая н.с. -2FA +Гд ——

738068

= — F . Эта н.с. сохраняется до конца полупериода, после чего нечетные тиристоры перестают проводить и в работу вступают четные тиристоры.

Рассмотрим преимущества предлагае-. мого преобразователя по сравнению с прототипом. Работа преобразователя прототипа основана на циклическом переключении каждой фазы нагрузки между фазами питания (отводами преобразователя числа фаз). Поэтому единственным путем улучшения формы кривой выходного напряжения является увеличение числа фаз и, следовательно, числа ключей переключателя. Работа предлагаемого преобразователя основана на переключении ампер-витков одной и той же фазы. Поэтому увеличение числа переключений и улучшение формы кривой выходного напряжения ограничивается, в основном, не числом фаз и ключей, а длительностью переходного процесса установления тока в первичной обмотке. Уменьшая реактивности рассеяния обмоток, можно увеличивать число переключений без увеличения объема аппаратуры.

Вследствие этого принципиального различия схема прототипа, содержащая

6 полностью управляемых ключей на фазу (всего 18 ключей),не обеспечивает хорошей формы кривой выходного напряжения.

Предлагаемый преобразователь (фиг.3) при меньшем числе ключей (4 на фазу, всего 12 ключей) обеспечивает лучшую форму (см.фиг.11). Следовательно, при одинаковой степени подавления высших гармоник в кривой выходного напряжения силовая схема предлагаемого преобразователя проще.

Частота переключений в преобразователе-прототипе равна разности между требуемой частотой и частотой питания.

Поэтому система управления в прототипе должна содержать источник требуемой частоты, устройство для сравнения этой частоты с частотой питания, формирователь отпирающих импуль сов разности частоты и программное устройство для распределения этих импульcos по ключам.

В предлагаемом преобразователе

I . ключи отпираются в одни и те же моменты времени, не зависящие от требуемой выходной частоты (в рассмотренных прнмерах эти моменты для любой частоты отстоят друг от друга на (ИЬ @ ) . Изменение выходной час-. тоты осуществляется лишь изменением порядка включения ключей, т,е. программы переключений. Поэтому система управления предлагаемым преобразователем представляет собой источник импульсов неизменной частоты (рассмотренных примерах частоты 12 ш) и программное устройство, подающее эти импульсы на ключи по заданной программе. Следовательно., система управления предлагаемым преобразователем

2Q функционально значительно проще.

Формула изобретения

1.Многофазный преобразователь частоты с вращающимся магнитным полем, содержащий магнитопровод,. с расположенными на нем многофазной соединен-. ной в звезду первичной обмоткой, концы которой через ключевые элементы соединены с выводами для подключения источника питания и многофазной вторичной обмотки, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью, упрощения, 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

40 данной фазы.

2.Преобразователь по п.1,о т л и ч а ю шийся тем, что магнитопра вод состоит из двух частей, причем расположенные на них первичные и

45 вторичные обмотки имеют противоположные направления намотки витков.