Вентильный преобразователь час-тоты c непосредственной связью

 

О П И С А Н И Е 803088

Союз Советских

Социалистических

Республик

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 21.05.76 (21) 2361584/24-07 с присоединением заявки,%-(51) .Ц Кл з

Н 02 М 5/27 (53) УД)х 621.314. .26 (088.8) Оп бликовано 07.02.81 Ьк л, . "ень М5

Дата опубликования описания 1:" !2.81 по делам изобретений и открытий (72) Автор изобретения (71) Заявитель (54) БЕНТИ,1ЬНЫГ1 ПРЕОЬРАЗОЗАТЕ,1Ь ЧА(:ТОТЫ

С НЕHOCPI;ËCTÂÍ-)Н01" СВЯЗЬЮ

Государственный комитет (23) Приоритет—

Изосбретепие относится к стат ческим преооразоватсляги часто гы еречеиного тока и мож T исп(>льзоваться в электротехнических преобразова|сльных установка.. и системах электропривода.

Известны ве нтил ьныс и рс>обри зова >-с:ли частоты с непосредственной связью и ес тестысн ой коммутацией вентилей (циклоконверторы), в которых одна полуволна выходного иапряжспия формируется выпрячлением, а вторая полуволна — инвертированием многофазного преобразуемого напряжения путем поочереднои коммутации различных групп вентилей (1) и (2). Такие преобразователи экономичны и ичеют сравнительно небольшую установленную могцность силовой аппаратуры, но им присугци следующие недостатки: низкая выходная частота, практически не превышаюгцая половины преобразуемой частоты, li трудности ее регулирования без ухудшения формы кривой выходного напряжения; сложность управления, особенно при так называемом раздельном управлении группами вентилей; значи гельные искажения формы кривой

Выходно! о напряжс пия.

Для устранения указаины; Iio jocTBTKoB приходится усложнять как силовые, так и упри:-.;яюц>ие схемы. Напричер, для повышс;.ия частоты выходного напряжения приходится значительно увеличивать число фаз или вводить элеченты принудительной коммутации вентилей или вводить резонансные контуры. т. е. усложнять силову о схему. Для улучшения формы кривой выходного напряжения приходится усложнять схемы управления, в частности управлять преобразователем по принципу замкнутых следягцих систеч.

Известен также вентильный преобразователь частоты с непосредственной связью, содержащий вклю сниь1е в каждую фазу многофазного источника напряжения трансформаторы с расположенными íà них первичными обмотками, подключенными к фазам источника. вторичными. соединенными пос20 ледовательно, и обмотками управления и

УПРаВЛЯСмЫ ВсчтИЛИ. КажДЫй ИЗ KOTOPbIX включен пара,l, o I>llo соотве ствуюгцей обмотке управления (3).

803088

3$

$0

Недостатками данного преобразователя являются: низкая частота выходного напряжения, значительно меньшая частоты питающего напряжения, так как каждая полуволна выходного напряжения складывается из полуволн фазных напряжений питания; сложность силовой и управляющей схем; искажения формы кривой выходного напряжения, состоящей из отрезков синусоиды питающего напряжения; возможность только однофазного выхода, что огра ничивает возможности применения.

Целью изобретения являются увеличение диапазона регулирования частоты и упрощение устройства.

Эта цель достигается тем, что в вентильном преобразователе частоты с непосредственной связью, содержащем включенные в каждую фазу многофазного источника напряжения трансформаторы с расположенными на них первичными обмотками, подключенными к фазам источника, вторичными, соединенными последовательно, и обмотками управления, и управляемые вентили, каждый из которых включен параллельно соответствующей обмотке управления, управляющие электроды всех вентилей объединены.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого преобразователя; на фи г. 2 — токи цепей; на фиг. 3 — магнитные потоки трансформаторов схемы фиг. 1; на фиг. 4 и 5— схемы предлагаемого преобразователя (различные варианты).

Преобразователь (фиг. 1) содержит восемь идентичных управляемых трансформаторов, подключенных к восьмифазному источнику с нулевым проводом (обозначен «О») питающего синусоидального напряжения угловой частоты о. Первичная обмотка 1 каждого трансформатора подключена последовательно с нагрузкой 2 к одной фазе питающего напряжения. Вторичные обмотки 3 всех трансформаторов соединены последовательно, образуя выходную обмотку Н вЂ” Н преобразователя. Каждый трансформатор содержит также обмотку 4 управления, замкнутую управляемым вентилем (тиристором)

5. Цепи обмоток управления могут быть соединены (фиг. 1) или быть гальванически не связанными. Управляющие электроды всех вентилей 5 объединены и к общим точкам 5 и в подключен источник управляющих импульсов. Сопротивления нагрузок 2 много меньше индуктивных сопротивле ий обмоток 1, если сердечники трансформаторов не насыщены, h много больше их, если сердечники насыщены. Кривые намагничивания сердечников близки к прямоугольным

При наличии между клеммами а и в постоянного напряжения, достаточного д я отпирания тиристоров, происходит самона$

1S

30 сыщение всех трансформаторов. При этом падение напряжения на их обмотках незначительно и по нагрузкам 2 восьми трансформаторов текут синусоидальные токи показанные на фиг. 2 тонкими синусоидальными линиями. При отсутствии управляющего сигнала на клеммах а и в все тиристоры заперты, практически все напряжение источника приложено к обмоткам 1, и по нагрузкам 2 текут незначительные токи намагничивания, а магнитные потоки Ф восьми трансформаторов изменяются синусоидально, как показано на фиг. 3 тонкими синусоидальными линиями. Максимальный магнитный поток Ф ненасыщенного трансформатора выбирается лишь немногим меньше потока насыщения Ф (см. фиг. 3).

Рассмотрим работу восьми трансформаторно-вентильных цепей, когда управляющий сигнал подается одновременно на управляющие электроды тиристоров в интервале от ш t = d = 3 — -до,о t =,ф = 7ф-.

Г8

Интервал, в течение которого подается управляющий сигнал, для наглядности показан в нижней части (фиг. 3) прямоугольник0м со светлыми кружочками.

Момент а подачи управляющего сигнала для тиристора первой цепи попадает в тот полупериод, когда тиристор может проводить. Так как падение напряжения на проводящем тиристоре и активном сопротивлении обмотки 4 незначительно, то после включения тиристора в момент са магнитный поток практически перестает изменяться (фиг. 3, штрих-пунктирной линией). Неизменное значение потока сохраняется до конца полупериода iieet =di, когда анодное напряжение тиристора изменяет знак и он перестает проводить. С этого момента магнитный поток возрастает, при e t = (Х + а) = 19ф достигает значения насыщения Ф- и перестает изменяться до конца периода t = 24. 3атем поток уменьшается, к моменту а достигает первоначального значения, и процесс повторяется. В течение двух интервалов

Зф- о t Jr и 19

Магнитный поток второго трансформатора, (фиг. 3, точечной линией), в момент а. равен потоку насыщения Ф5-. Второй тиристор может включиться лишь в момент

ы t = 2 -, когда его анодное напряжение станет положительным. С этого момента поток может измениться лишь на очень малую величину, например от <1 до Ф, соответствующую падению напряжения на проводящем тирисгоре и активном сопротивлении обмотки 4, т. е. остается практически неизменным до момента t = f$, когда анодное напряжение на тиристоре изменяет знак и он перестает проводить. Сердечник трансформатора опять насыщается, и процесс пов торяется. Так как в течение всего периода магнитный поток второго трансформатора практически не изменяется и индуктивность его первичной обмотки незначительна, по нагрузке 2 второй цепи течет непрерывный s синусоидальный ток (точечной линией на фиг. 2).

В третьей, четвертой и пятой цепях тиристоры не успевают включиться за время подачи управляющего сигнала (их анодное напряжение отрицательно) . Поэтому магнитные потоки третьего, четвертого и пятого трансформаторов изменяются синусоидально, а токи в соответствующих нагрузках 2 отсутствуют.

Магнитный поток шестого трансформатора показан на фиг. 3 линией «два тире— точка» (- — . — — ) . .Так как тиристор включается в самом конце своего проводящего полупериода, магнитный поток шестого трансформатора не изменяется и по его нагрузке 2 течет ток лишь короткий интервал

3-ф- t =..ф-. Второй такой же интервал, когда сердечник насьцден, отстоит от IIeIIвого на рс, т. е, интервал 19ф- > t <3 f

Магнитный поток седьмого трансформатора показан на фиг. 3 мелкоп,нктирной

25 линией. От момента а. он не изменяется до момента t = ". - изменения знака напряжения и далее возрастает. При w (= (fg) ."-"ф сердечник насыщается, поток остается неизменным до конца полчпериода t = 3 +

СО g, после чего уменьшается, и процесс повторяется. Ток по нагрузке 2 седьмой цепи течет два интервала, когда поток не изменяется, а именно 3) - t - и 19 г- < t б g (фиг. 2, мелкопунктирной линией).

Процесс в восьмои цепи протекает ана3S логично — пунктирные линии на фиг. 2 и 3; магнитный поток не изменяется и. понагрузке 2 восьмой цепи течет ток в интервалах 34 — <ш t 3 " - и 19 s =- д t 7, Сумма магнитных потоков всех трансфор 40 маторов — потокосцепление обмотки Н вЂ” Н, определяющее напряжение на ее зажимах (фиг. 3, кривой 6, сплошная линия со светлыми кружочками. Потокосцепление содержит постоянную составляющую, обусловленную наличием вентилей, и переменную составляющую.

Если длительность управляющего сигнала увеличить, например до интервала

3, - „> t 5 ) — (фиг. 3, внизу прямоуголь- 50

gi ником с зачерненными кружочками), то работы всех цепей, кроме трегьей, не изменится. Третий тиристор сможет включиться в начале полупериода своей проводимости t = -, поэтому магнитный поток третьего трансформатора, как и второго, практически изменяться не будет, а по его первичной обмотке будет течь синусоидальный ток.

Потокосцепление обмотки Й вЂ” Н в этом слуб чае изображается кривой 7 (сплошная и ния с черными кружочками).

Если длительность управляющего сиг- нала увеличить до интервала 3 -,> t <7 к =- -- Д (фиг. 3, внизу прямоугольником с крестиками), то будет успевать включаться и четвертый тиристор, а магнитный поток четвертого трансформатора также перестанет изменяться. Соответствующая кривая потокосцепления обмотки Н вЂ” Н вЂ” линия 8 с крести ка м и.

Из сопоставления кривых 6, 7 и 8 видно, что длительность управляющего импульса, равная примерно четверти периода, является оптимальной. так как переменная составляющая потокосцепления выходной обмотки имеет при этом наилучшую форму и наибольшее отношение к постоянной составляющей.

Как видно из кривых 6 — 8, переменная составляющая потокосцепленпя выходной обмотки имеет минимум в момент подачи управ."яющего сигнала и максимум, отстоящий на i . Следовательно, изменяя момент подачи сигнала внутри периода, можно плавно изменять фазу напряжения на зажимах

Н вЂ” H. Таким образом, преобразователь (фиг. 1) может работать фазовращателем, обеспечивая плавное регулирование фазы напряжения на зажимах Н вЂ” Н в пределах

:р., » г

;6 . ..сли момент подачи управляющего сигнала изменяет свое положение от периода к периоду частоты питания, т. е. если частота сигнала не равна частоте питания, то частота напряжения на зажимах Н вЂ” Н равна частоте сигнала. Так как частота выходного напряжения равна частоте сигнала, а мощность в нагрузку поступает от источника питания, преобразователь является усилителем;, ощности.

Ток в нулевом проводе — сумма токов первичных обмоток трансформаторов — изоб ражен на фиг. 2 кривой 9 для длительности управляющего сигнала 3 Я- < о t 7 ;- и кривой 10 для длительности сигнала 3 - <

Д.

/ь

<,д t о f. Частота и фаза основной гармоники этого тока определяются моментами подачи управляющего сигнала, поэтому нагрузка может быть включена и в нулевой провод.

В качестве нагрузок 2 удобно использовать многофазные обмотки электрических машин, например асинхронных двигателей.

При питании фазных обмоток машины токами i (фиг. 2) результирующая намагничивающая сила представляет собой бегущую волну, положение и скорость которой определяются моментами подачи управляющего сигнала. Следовательно, преобразователь (фиг. 1) позволяет осуществить частотное регулирование скорости привода переменного тока одним сигналом управления. Таким образом, преобразователь (фиг. 1) может использоваться для питания как многофазной, так и однофазной нагрузки.

803088

Работа прсооразователя (фиг. 1) рассмотрена для простоты при питании ог вось»II((aaxoIo источника. Очевидно, работа его

Hp измеIIIITPH при питании от четырехфазного источника, если у половины трансформаторов изменить взаимное направлспие обмоток 1 и 4.

Известно, что в магнитно-вентильном усилителе трансформатор может быть заменен автотрансформ ITopoM, если допустимо прохождение небольшой постоянной составляющей тока через последовательно включенную нагрузку. На фиг. 4 показана автотрансформаторная схема предлагаемого преобразователя, в которой отсутствуют обмотки управления.

Если для улучшения формы кривой выходного напряжения число фаз схемы должно быть больше числа фаз питающего напряжения, то первичные обмотки трансформаторов могут быть соединены последовательно, образуя преобразователь числа фаз.

На фиг. 5 показана схема преобразователя, который также содержит восемь управляемых трансформатоooB, но питается от двухфазного источника. Каждый трансформатор содержит первичные обмотки 11 и 12.

Числа витков обмоток 11 распределены по сердечникам по синусоидальпому закону, а обмоток 12 по косинусоидальному закону. При подключении после(овательно сое.I1IHpIIH»Ix обмоток 11 к первой фазе Л -Х пиT lþIHåãо двухфазного наliряжения, а обмоток 12 --- к второй фазе В--У и 113и отсутствии сигнала управления ца клеммах а и в, напряжения вторичных обмоток 3 ооразуют сим(мегри(ную восьмифазнук) систему, т. е. их сумма на выходных зажимах

3S

Н вЂ” Н равна нулю. Г1ри подаче управляющего сигнала на клеммы а. в раб(ла сх(мы фиг. 5 Ilp((HI(I(èèàëüHî пе ог;и(;ас(с» (3т раооты схемы фиг. 1.

Таким образом, данное устройство обеспечивает регулирование частоты как в сторону понижения. так и в сторону повышения относительно частоты питания, и проще по сравнению с прототипом, так как содержит лишь один трансфор ат(р и один вентиль на фазх.

Предлагаемое устройство функционально является универсальным, так как может обеспечить питание одновременно как однофазной, так и,многофазной нагрузки, может быть выполнено для подключения к источникам питания с различным числом фаз при сохранении неизменным числа фаз схемы и соответственно формы кривой вьходного напряжения.

Форлщла тогоретения

Вснтильцый преобразователь частоты с непосредственной связью, содержа(ций вклю ченные в каждую фазу многофаз(гого источника напряжения трансформаторы с расположенными на них первичными оомотками, подключенными к фазам исто(ника. Hт",.()ричными, соединенными последовате,(ьно. обмотками управления, и управляемыс вентили, каждый из которых включен Ilc(p3.1лель lo соответствующей обмотке 3 правления, oT,гичпюи(айся тем, что, с целью увеличения диапазона регулирования частоты и упрощения, управляющие электроды всех вентилей о(б ьедпнены.

Исго(ник(1 информации, принятые во внимание при экспертизе !. Патент «III ¹ 3368136, кл. 321 — 7, l 975.

2. Патент (ШЛ, Л 3803478, кл. 321 — 7.

1975.

3..(втор(к(1е свидетельство ((. «Р по аHI3Y(Л! 2182446,24 — 07, к.1. 1-1 (12 (I o !11, l (-!75

803088

СоставительЛ. Устинкина

Редактор Г. Петрова Техред А. Бойкас Корректор H. Швыдкая

Заказ 10274/68 Тираж 7 /1 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4