Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное с промежуточным звеном высокой частоты

 

ОЙИСЛНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное н авт. свид-ву(51)М. Кл. (22) Заявлено 28.08. 78 (21) 2657913/24-07

S с присоединением заявки ¹ вЂ”Н 02 M 7/537

Государственный комитет

СССР оо делам нзобретеннй н открытий (23) Приоритет—

Опубликоеанс> 071280. Бюллетень Мо 45

Дата опубликования описания 101280 (53) УДК 621. 314. 58 (088.8) (72) Авторы изобретения

Г.С.Мыцык, A.Â.×åñíîêoâ и В.В.Михеев (71) Заявитель

Московский ордена Ленина энергетический Институт (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В ТРЕХФАЗНОЕ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ЗВЕНОМ

ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано для частотного запуска и управления двигателями пере» менного тока различных типов (син- э хронных, асинхронных и пр.) в тех случаях, когда требуется широкий диапазон регулирования частоты вращения при одновременном согласовании уровней напряжения питания и потреби= 1О теля ы при высоких требованиях к массогабаритным показателям электропривода в целом.

Наиболее простым из известных преобразователей постоянного напря>сения 15 в трехфазное является преобразователь, выполненный по трехфазной мостовой схеме с блоком управления, реализующим простейший, например 180градусный, алгоритм управления его 2О ключами.

Недостатком такого преобразователя является трудность согласования уровней напря>кения питанием и выходного напряжения из-за резкого увели- 25 чения (особенно на низких выходных частотах) габаритов выходного согласующего трансформатора.

Известен преобразователь с широтно-импульсной модуляцией ШИМ выход- Щ ного напряжения, обеспечивающий пре образование однофазного напряжения в трехфазное. Преобразователь содержит входной трансформатор, подключенный к входным выводам трехфазного мостового инвертора, ключи которого выполнены на встречно-параллельно включенных тиристорах, и блок управления, включающий трехфазный задающий генератор управляющих импульсов выходной частоты (1 °

Недостатком этого преобразователя является сравнительная сложность блока управления иэ-за того, что используемая в этом случае естественная коммутация тиристоров и раздельное (без уравнительных токов) управление требуют применения довольно

1 сложного алгоритма управления, реализуемого введением обратной связи по току и,по форме выходного напряжения (тока) .

Известен так;ке преобразователь однофазного напряжения в трехфазное, содер>кащий однофазный трансформатор с тремя вторичными обмотками, выполненными с отпайками, а также шесть трехфазных ключей переменного тока, выполненных в виде трехфаэных диодных мостов с транзисторами, включен785935

55 бО б5 ными на их выходах. Входы мостов подключены к разновитковым отпайкам каждой из вторичных обмоток трансфор матора (2$ .

К недостаткам данного преобразователя следует отнести сложность структуры и ограниченные функциональные возможности из.-за невозможности регулирования выходной частоты, а также невысокие массогабаритные показатели иэ-за плохого использования обмоток трансформатора.

Наиболее близким к предложенному преобразователю является преобразователь постоянного напряжения в трехфазное с промежуточным звеном высокой частоты. Данный преобразователь позволяет получить из постоянного напряжения трехфаэное переменное и содержит трехфазный мостовой инвертор, в качестве ключей которого использованы встречно-параллельно включенные тиристоры, а также однофазный инвертор, преобразующий постоянное напряжение в прямоугольное, постоянной частоты, выходом связанной с входными выводами трехфазного мостового инвертора. Блок управления этим преобразователем содержит задающий генератор, распределитель импульсов и усилительно-развяэывающий узел.

Выходные выводы блока управления подключены к управляющим входам ключей однофазного и трехфазного мостового инверторов. На выходе преобразователя формируется трехфазное напряжение

И.

Регулирование напряжения в таком преобразователе осуществляют за счет регулируемого запаздывания угла включения тиристоров трехфазного инвертора. Эту х<е задачу можно решить несколько проще — за счет регулирования напрях<ения в однофазном инвер,торе.

Однако известный преобразователь при тех принципах регулирования напряжения, которые в него заложены, не позволяет осуществлять плавное изменение выходной частоты преобразователя от нулевого ее значения до заданного. Регулирование выходной частоты инвертора независимо от ромежуточной высокой частоты влечет за Чобой ухудшение качества выходного напряжения из-за появления в нем в процессе регулирования субгармоник или,, постоянной составляющей, оказывающих вредное влияние на электродвигатель и зачастую делающих невозможной нормальную ега работу.

При так называемом связанном регулировании выходной частоты за счет соответствующего изменения промежуточной высокой частоты (плавно и путем изменения кратности этих частот) массу согласующего трансформатора минимизировать не представляется возмох<ным.

5 а

Целью изобретения является расширение диапазона регулирования выходной частоты и улучшение массога-; баритных показателей преобразователя.

Для достижения этого предлагаемый преобразователь, как и известный, содержит однофазный инвертор с выходным трансформатором, вторичная обмотка которого подключена к входным силовым выводам трехфазного мостового инвертора на ключах с двухсторонней проводимостью. В состав блока управления входят высокочастотный задающий генератор, связанный через усилительно-развязывающий узел с управляющимй входами однофазного инвертора и распределитель импульсов, связанный через упомянутый усилительно-развязывающий узел с управляющими входами ключей трехфазного инвертора, В отличие от известного предлагаемый преобразователь снабжен дополнительным задающим генератором, частота которого кратна выходной частоте преобразователя, трехканальным узлом регулирования напряжения и трехканальным логическим узлом. Выходы логического узла подключены к входам усилительно-развязывающего узла, одни из входов каждого канала связаны с выходами высокочастотного задающего генератора, а другие входы каждого канала — с выходами соответствующих каналов узла регулирования напряжения, входы которых связаны с выходами распределителя импульсов и выходом дополнительного задающего генератора.

Каждый из каналов логического узла может быть выполнен в виде последовательно включенных логических элементов 2И-2ИЛИ-НЕ и НЕ, выходы которых образуют выходы логического узла.

Трехканальный узел регулирования напряжения может включать в себя модулятор ширины импульсов, а каждый из каналов содержит два трехвходовых, два двухвходовых логических элемента И-НЕ и один логический элемент НЕ.

Выход одного из трехвходовых элементов И-НЕ соединен с, входом второго двухвходового элемента, а выход второго трехвходового элемента соединен с одним из выходов первого двухвходового элемента, второй вход которого образует один из входных выводов узла регулирования, а выход соединен с одним входом второго двухвходово-. го элемента, выход которого образует один из выходных выводов узла регулирования и соединен с входом логического элемента НЕ, а его выход образует второй выходной вывод узла.

Первые два входа трехвходовых элементов образуют входные выводы узла регулирования, а их третьи входы подключены к модулятору ширины импуль785935 сов, входом связанному с дополнительным задающим генератором.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого преобразователя, на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.

Преобразователь постоянного напряжения в трехфаэное с промежуточным звеном высокой частоты (фиг.1) содержит трехфазный мостовой инвертор на ключах 1-6 с двухсторонней проводимостью, однофаэный инвертор 7 и, блок управления 8. Выходные выводы .однофазного инвертора 7 подключены к первичной обмотке 9 однофазного трансформатора 10, вторичная обмотка

11 которого подключена к входным си-. l5 ловым выводам 12,13 трехфазного мостового инвертора. В состав блока уп равления 8 (фиг. 1) входят два задающих генератора 14,15, распределитель импульсов 16, собранный по схе- 2О ме трехфазного пересчетного кольца на триггерах 3К -типа 17-19, трехканальный узел 20 регулирования напряжения, логический узел 21 и усилительно-развязывающий узел 22 °

Выход задающего генератора 15 подключен к тактовым входам триггеров

17-19 распределителя импульсов 16, выходы которого подключены к входам узла 20 регулирования напряжения, включающего в себя модулятор 23 ширины импульсов и состоящего из трех идентичных каналов ° Каждый канал регулирования напряжения включает в себя два трехвходовых 24,25, два двухвходовых 26,27 логических элемента И-HE и один логический элемент

HE 28. Два входа каждого из трехвходовых логических элементов 24, 25, являющиеся входными выводами узла регулирования напряжения, под- 49 ключены к соответствующим выходам распределителя импульсов 16, а к третьему их входу подключен выход модулятора 23 ширины импульсов, синхронизирующий вход которого соединен 4> с выходом задающего генератора 15., Выходь логических элементов 24,25, подключены к одним входам двухвходовых элементов И-НЕ 26,27, второй вход логического элемента 26 образует входной вывод канала узла регулирования напряжения, а его выхс ц подключен к второму входу логического элемента 27, выход которого подключен к входу логического элемента HE 28. Выходы логических элементов 27,28 образуют выходные выводы канала узла 20 регулирования напряжения. Задающий генератор, выполненный в виде собственного задающего генератора 14 и триггера 29, выхода- щ() .ми подключен к входам усилительноразвяэывающего узла 22 и трехканального логического узла 21, каждый канал которого выполнен в виде последовательно включенных логических элементов 2И-2ИЛИ-Не, Кдругим входам логического узла 21 подключены выходы узла 20 регулирования напряжения.Выходы логического узла, образованные выходами логических элементов

30 и 31, подключены к входам усилительно-развязывающего узла 22, подключенного своими выходами к управляющим входам ключей однофазного инвертора 7 и к управляющим входам ключей 1-6 трехфазного мостового инвертора.

Принцип формирования выходного на ряжения преобразователя поясняется зременными диаграммами, приведенными на фиг. 2.

Работает предлагаемый преобразователь следующим образом. Задающим генератором 15 задают частоту выходного напряжения преобразователя, а задающим генератором 14 — независимук> промежуточную высокую частоту, на которой работает согласующий трансформатор, питающий трехфазный мостовой инвертор. Импульсы с выхода задающего генератора 15 U g поступают на тактовые входы триггеров 17-19 распределителя импульсов 16 и на синхронизирующий вход модулятора 23 ширины импульсов, входящего в состав узла 20 регулирования напряжения. С выходов распределителя импульсов 16 сигналы с частотой, пропорциональной выходной частоте преобразователя, имеющие временной сдвиг на 1200 относительно друг друга, поступают на входы узла 20 регулирования напряжения, на другие входы которого поступают импульсы временной скважности Ugg. с выхода модУлятора ширины импульсов,. длительность которых равна длительности регулировочной паузы

На выходе узла 20 регулирования напряжения формируют низкочастотные сигналы 32-37, имеющие вид, показанный на фиг. 2 (U3$ U37 ), которые поступают на входы логического узла

21, на другие входы которого поступают прямоугольные импульсы с выходов 38, 39 (Ugg, Ugg на фиг.2) триггера 29 высокочастотного задающего генератора. С выходов логического узла 21 снимают сигналы 40-45 управления ключами трехфазного мостового инвертора (040 -U45 .на фиг.

2), поступающие на вход усилительноразвязывающего узла 22. В нем осуществляют усиление и гальваническую развязку сигналов управления. Управляющие импульсы с выходов усилитель но-развязывающего узла 22 поступают на управляющие входы ключей 1-6 трехфазного мостового инвертора. В случае выполнения вторичной обмотки 11 согласующего трансформатора 10 беэ нулевого вывода выходное фаэное напряжение преобразователя (например для фазы А) будет иметь форму типа

785935 пьедестал, обычную для трехфазногс мостового инвертора, а при наличии нулевого вывода — типа меандр.

Согласование уровней напряжения питания и выходного напряжения в предлагаемом преобразователе осуществляется при помощи промежуточного высокочастотного преобразования электрической энергии. Преобразователь построен таким образом, что частота промежуточного преобразования не зависит от выходной частоты преобразователя при регулировании последней в широком диапазоне от значений, близких к нулевым, до номинальных.

Известный преобразователь j3J не позволяет решить эту задачу (плавного регулирования частоты), что делает по существу невозможным при ченение его в частотно-регулируемом синхронном электроприводе.. В случае же связанного регулирования выходной частоты эа счет соответствующего изменения промежуточной высокой частоты высокочастотный согласующий трансформатор необходимо рассчитывать на минимальную промежуточную частоту /выходная и промежуточная частоты связаны следующим соотно- . вь1х=Зю ° „р, где В =1,2, ° ° ° )

Так, найример,для обеспечения диапазона регулирования выходной частоты 10- 1000 Гц согласующий трансформатор необходимо рассчитывать на на частоту 300 Гц.

В предложенном преобразователе промежуточная высокая частота остается постоянной во всем диапазоне регулирования выходной частоты и может быть выбрана из условия минимума массы высокочастотного согласующего трансформатора. Так, при частоте промежуточного высокочастотного преобразования(р = 4 кГц при прочих равных условйях по диапазону выходной частоты масса согласующего трансформатора в предлагаемом преоб раэователе в 2,7 раза меньше, чем у прототипа, согласующий трансформатор которого рассчитан на часто— ту 300 Гц. Структура преобразователя позволяет обеспечить широкий диапазон регулирования выходной частоты с одновременным согласованиеМ уровней напряжения питания и требуемого выходного напряжения при наилучших массогабаритных показателях, полученных за счет применения промежуточного высо».очастотного преобразования электрической энергии, причем данное преобразование осуществляется при помощи только одного однофазного трансформатора.

Таким образом, существенно расширяется область применения преобразователей с промежуточным высокоставляющей также преобразователи можно применять не только в асинхронных, но и в синхронных частотно-регулируемых электроприводах. При этом в отли чие от известных решений промежуточная высокая частота, т.е. рабочая частота согласующего трансформатора, остается -постоянной, что позволяет существенно улучшить (за счет оптимизации этой частоты) массогабарит1 ные показатели трансформатора и, следовательно, всего преобразователя.

33

Щ

$0

55 частотньы преобразованием. Благодаря . достигнутой возможности плавного регулирования выходной частоты и напря жения от нулевых зйачений до заданны> номинальных при отсутствии в напряжении субгармоник и постоянной соВ наибольшей мере эффективность такого типа прЕобразователей проявляется в области малых и средних мощностей, когда еще возможно транзисторное исполнение их силовой части °

При пониженных выходных частотах порядка 50 Гц и ниже такие преобразователи целесообразно выполнять в тиристорном исполнении (с блоками принудительной коммутации).

Формула изобретения

1.Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное с промежуточным звеном высокой частоты, содержащий однофаэный инвертор с выходным трансфОрматором, вторичная обмотка которого подключена к входным силовым выводам трехфазного мостового инвертора на ключах с двухсторонней проводимостью, и блок управления, включающий в себя высокочастотны>» задающий генератор, связанный через усилительно-развязывающий узел с управляющими входами однофаэного инвертора, и распределитель импульсов, связанный через упомянутый усилительно-.развяэывающий узел с .управляющими входами ключей трехфазного инвертора, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования выходной частоты и улучшения массогабаритных показателей, его блок управления снабжен дополнительным задающим генератором, частота которого кратна выходной частоте преобразователя, трхканальным узлом регупирования напряжения и трехканальным логическим узлом, выходы которого подключены к входам усилительно-развяэывающего узла, одни иэ входов каждого канала связаны с выходами высокочастотного задающего генератора, а другие входы каждого канала с выходами соответствующих каналов узла регулирования напряжений, входы которых связаны с выходами распреде7В5935 лителя импульсов и выходом дополнительного задающего генератора.

2.Преобразователь по п.1, о т л и . ч а ю шийся тем, что каждый из каналов логического узла выполнен в виде последовательно включенных логических элементов 2И-2ИЛИ-НЕ и НЕ, выходы которых образуют выходы логического узла.

3.Преобразователь по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что трехканальный узел регулирования напряжения содержит модулятор ширины импульсов, каждый из каналов содержит два трехвходовых, два двухвходовых логических элемента И-HE и один логический элемент НЕ, выход одного из трехвходовых элементов И-НГ соединен с входом второго двухвходового элемента, выход второго трехвходового элемента соединен с одним из входов первого двухвходового элемента, второй вход которого образует один из входных выводов узла регулирования, à его выход соединен с одним вх(>дс м в3 орс о „. -: в . !,л элемента, вэ:ход которого =бра эуст одип иэ выходных вь нодон уэ .а ="гулирования и соединен с входом логического элемента НЕ, его выход обра1 зует второй выходной вывод;, эла „при этом первые два вход=- тра..<входсвых элементов образуют .:.-.-ход::;!е >-ы!-.о:;:-. уэлл v=ã .ë-,ировання, а и; тр.!z.ü=« входы .одключены к .одудятору ширины О импульсов Входом сзяэа!1«ому с допол нительны< задающим генератором.

Исто =-н«ки ин< ормац«и, принятые во . н«ма!п«е пр« экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР S 9 163265, кл. Н 02 М 5/27, 1962.

2.Авторское свидетельство СССР

Р 493872, кл. Н 02 М 5/27, 1975.

3.Антонов Б.М., Данько Г.й. и

Троянская Д.О. Инвертор с промежуЯ точным звеном повышенной частоты, Труды БЭИ. Силовые пслупроводнгл!,.о.ные устройства. N., Энергия, 1967, с. 124-130 (прототип).

785935

Составитель И.Никитин

Редактор Т.Загребельная Техред А.Щепанская Корректор Ю.Макаренко .

Заказ 8858 56 Тираж 7 3 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП"Патент", r.Óæãoðoä,óë.Ïðîåêòíàÿ,4