Трансформаторно-тиристорный непосред-ственный преобразователь частоты

 

OB И(: НИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ИЕЛЬСТВУ (и>817919

Союз Советских

Социалистических

Республик.Ф

1 (б1) Дополнительное. к авт. сеид-ву (22) Заявлено 14D377 (21) 2462358/24-07 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 30.03.81. Бюллетень 8912

Дата опубликования описания 300381

М K ç

Н 02 М 5/27

Государственный комитет

СССР по девам изобретений н открытий (53) УДК 621. 314.

-.. .27 (088. 8) (72) Авторы изобретения

Г. С. Мыцык и В. В. Дудин (71) Заявитель

Московский ордена Ленина энергетический институт

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике, а именно к классу непосредственных преобразователей частоты, и может быть использовано для питания частотно управляемых электроприводов перемен ного тока, при построении автономных энергоустановок с переменной скоростью вращения привода генератора цля получения стабильной частоты, а также для питания различных электро- . магнитных устройств, работающих на принципе бегущего поля, например для питания линейных двигателей или установок электромагнитного перемешивания жидких металлов.

Известны непосредственные преобразователи частоты, выполненные по нулевой или мостовой схемам (1).

Однако силовая часть их сравни- 20 тельно сложна, так как содержит большое число управляемых ключевых элементов. Кроме того, учитывая, что преобразователь в силу своего принципа работы обеспечивает выходное на- 25 пряжение по основной гармонике меньше, чем выходное напряжение в подавляющем числе случаев, требуется уста.новка на входе преобразователя согласующего трансформатора. для тех слу- 30 чаев, где применение согласующего трансформатора неизбежно, целесообразно использовать его не только с целью согласования, но также и для других целей, например для упрощения силовой части самого преобразова-теляя.

Из ве ст ны т акже не посредст ве н ные преобразователи частоты, для которых характерным является наличие согласующего трансформатора с несколькими комплектами вторичных трехфазных обмоток, нагруженных на трехфазные вентильные мосты, на выходах по постоянному току которых установлены полностью управляемые ключевые элементы. При выполнении ключевых элементов преобразователя в виде тиристоров для их запирания (так как они стоят в цепи постоянного тока) используют блоки принудительной коммутации. При этом, как правило, последовательно с тиристорами включают обмотки дросселя, являющиеся составной частью блока коммутации, а остальная часть блока коммутации может быть выполнена в различных модификациях Я, f3j,(4 и Я.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь, содержащий трехфазный трансформатор с первич817919 ной обмоткой, подключаемой к трехфазной питакицей сети, комплекты вторичных трехфазных обмоток, соединенных в звезду и подключеннйх ко входам трехфазных вентильных мостов, причем выходы каждого из этих мостов нагружены на ключевые элементы в виде

1последовательно соединенных обмотки дросселя и тиристора, а нулевые точки комплектов вторичных обмоток трансформатора образуют выходные выводы преобразователя. Блок коммутации этого преобразователя содержит распределительные и разделительные вентили, соединяющие аноды и катоды основных тиристоров с выходными выводами однофазного тиристорного моста, в диагонали переменного тока которого установлен коммутирующий конденсатор, а также цепочки из последовательно включенных перезарядных вентиля и обмотки дросселя, подключен- 20 ные параллельно упомянутым ключевым элементом (6).

К недостаткам известного преобразователя относятся сравнительная сложность силовой части, состоящая, в частности, в том, что число комплектов выходных обмоток достаточно велико и равно m4> (под и>„ подразумевается число входных фаз, участвующих в формировании выходного напряжения), З а также пониженный КПД или ухудшенные массогабаритные показатели из-за несовершенства блоков коммутации.

Цель изобретения — упрощение преобразователя и улучшение его КПД.

Ноставленная цель достигается тем, что в преобразователи частоты, содержащем m-фазный трансформатор, первичная обмотка котЬрого подключена к m-фазной питающей сети, а комплекты вторичных m-фазных обмоток, 40 соединенных в звезду, подключены ко входам m-фазных вентильных мостов, причем выходы каждого из этих мостов нагружены на управляемые ключевые элементы, один из трех выходных выво- 4 дов каждого из m-фазных вентильных мостов образован точкой объединения одного из входных выводов, а остальные входы этих мостов подключены к разноименным концам вторичных m-фаз-. ных обмоток трансформатора. Кроме

50 того, при выполнении каждого из управляемых ключевых элементов в виде последовательно соединенных обмотки коммутирующего дросселя и основного тиристора с блоком принудительной коммутации, содержащим коммутирующий конденсатор, а также управляемые распределительные вентили, разделительные вентили и цепочку из последовательно включенных перезарядных обмот- $0 ки дросселя индуктивности и вентиля, разделительные вентили выпол нены управляемыми, обкладками коммутирующего конденсатора подключены к силовым выЪодам основных тиристоров через распределительные и разделительные. управляемые вентили, причем с каждой из обкладок конденсатора связаны катоды одной половины и аноды другой половины основных тиристоров.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя Для случая и -- 6; на фиг. 2 — то же, блока ком,Д мутации, на фиг. 3 - модификация блока коммутации для случая регулируемого по напряжению преобразователя, на фиг. 4 — схема замещения преобразователя на одном из коммутационных интервалов, поясняющая принцип формирования выходного напряжения, на фиг. 5 — временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя.

Трансформаторно-тиристорный непосредственный преобразователь частоты содержит и>-фазный трансформатор 1 с первичной обмоткой 2 и со вторичными обмотками 3-14, диодные мосты

15-20 с управляемыми ключевыми элементами 21-26. При мощностях до единиц кВА в: настоящее время в качестве ключевых элементов целесообраз- но испольэовать транзисторы, а при больших мощностях -тиристоры с блоками коммутации.

В преобразователе (фиг. 1 а) каждый ключевой элемент 21-26 выполнен в виде последовательно соединенных основных тиристоров, например, 27 и

28 и обмоток 29 и 30 коммутирующего дросселя 31, причем все основные обмотки хорошо магнитосвязаны между собой за счет соответствующей их намотки и расположения на общем магнитопроводе. Помимо основных обмоток дросселя индуктивности в устройство коммутации входит также блок 32 конденсатора, включающий в себя, в частности, конденсаторы 33 и 34 (для 1 упрощения изложения основные обмотки дросселя и тиристоры, а также коммутирующие конденсаторы обозначены выборочно в минимальном их числе, необходимом лишь для пояснения работы преобразователя).

Наряду со своей простотой (отсутствие дополнительных вентилей), первый вариант блока коммутации (фиг.1а) имеет ухудшенные массогабаритные показатели из-за большого числа коммутирующих конденсаторов. Этих недостатков лишен второй вариант блока коммутации, (фиг. 1 б). Он содержит распределительные тиристоры 35 — 40, разделительные вентили 41-46 и лишь один коммутирующий конденсатор 47 в диагонали переменного тока однофазного моста на тиристорах 48-51, причем выход этого моста зашунтирован цепочкой из тиристора 52 и обмотки 53 дросселя, предназначенной для форсированного перезаряда конденсатора 47.

817919 щим образом схема соединения распределительных и разделительных тиристоров. В тех случаях, когда задача ограничения.накопления энергии на конденсаторе решается иными путями, перезарядная цепочка может быть выполнена с одной обмоткой 63, расположенной на отдельном сердечнике.

Преобразователь работает следующим образом.

На фиг. 4 представлена схема замещения для одного из моментов времени, когда замкнут один из диодных мостов, например, 15. При замыкании управляемого ключевого элемента 21 к нагрузке прикладывается напряжение от пары совместно действующих вторичных обмоток 3 и 4 трансформатора 1. На рассматриваемом отрезке действуют напряжение фаз "а" и "в"

=IJ 51OE30 Ф; ц = О уп (Ж„1 -120 ). где Ю, =2Rjr — круговая частота, 35

fL i максимальное значение напряжения на вторичных обмотках трансформатора 1.

В результате поочередного, после40 довательного подключения всех комплектов вторичных обмоток на фазах нагруз" . ки формируется напряжение, показанное на фиг. 5 б, причем частота основной гармоники напряжения равна

2 1

В .Ряде случаев требуется не только обеспечивается введением дополнительного седьмого диодного моста 58, нагруженного на аналогичный управляемый ключевой элемент 59 в виде, например, тиристора с последовательно соеНедостатком этого блока является несколько заниженный КПД из-за увеличенного числа последовательно включенных в контурах коммутации вентилей.

Исключающим и этот недостаток,в известной мере, является блок коммутации, представленный на фиг. 2.

Он соденжит распределительные тиристоры 35 — 40, но разделительные вентили 41-46 выполнены управляемыми, а

I коммутирующий конденсатор 47 подключен непосредственно между точками соединения .распределительных и разделительных тиристоров и зашунтирован двумя перезарядными цепочками

I из последовательно соединенных обмоток 54 и 55 дросселей и тиристоров

56 и 57. По сравнению со вторыМ вариантом этот блок коммутации содержит несколько большее число тиристоров, однако благодаря такой структуре его построения общее число вентилей в нем меньше, а КПД выше из-за меньшего вдвое числа последовательно соединенных вентилей в контурах коммутации . В обоих вариантах,(во втором и третьем)блока коммутации обмотки 53, 54 и 55 дросселей перезарядHblx цепочек магнитосвязаны с основными обмотками дросселя 31, причем числа витков этих неразрядных обмоток 53, 54 и 55 выбирают больше числа витков основных обмоток дросселя 31.

Это позволяет ограничить накопление энергии в коммутирующем конденсаторе 47 и избежать увеличения установленной мощности элементов преобразователя.

Характерным для втогого и третьего вариантов блока коммутации является использование одного коммутирующего конденсатора вместо шести (в первом варианте), что и определяет, с одной стороны, лучшие массогабаритные показатели, а с другой - различные области их применения. Первый вариант блока коммутации целесообразно применять при повышенных, а второй и третий — при пониженных частотах коммутации (f ). регулирование частоты, но и регулирование величины напряжения. Возможность регулирования выходного напряжения в данном преобразователе диненной обмоткой 60 коммутирующего дросселя 31 (фиг. 3) ° Блок коммутации (фиг. 1 а) при этом снабжается еще одним коммутирующим конденсатором, подключенным на выход моста 58, а блок (фиг. 3) — двумя дополнительными тиристорами 61 и 62. В последнем случае изменяется соответствуюИспользуя метод суперпозиции, несложно показать, что напряжение на фазах нагрузки в этом случае будет равно: л

U = д 51п(щ1-зо );

30 U = 518 (щ t;15oо)

0 в /ь

U = — оп М1+9о ), и

С2. -Л где - частота переключения управМ ляеьых ключевых элементов.

Алгоритм пеРеключения ключей пре-, образователя Ч - показаны на фиг. 5 в.

Блок коммутации (фиг. 1 а) работает следукшим образом.

Предположим, что основной тиристор ээ 27 (ключевой элемент 21) открыт, а остальные основные тиристоры (ключевые элементы 22-26) закрыты. Тогда на конденсаторе 33 напряжение

;практически отсутствует, а точнее, равно падению напряжения на цепочке из последовательно соединенных основного тиристора 27 и обмотки 29 дросселя. Основные конденсаторы заряжены напряжением от вторичных обмоток 5

14 через соответствующие мосты 16

817919

Формула изобретения

20, в результате чего эти конденсат оры заряжаются с полярностью, пок азанной на конденсаторе 34, т: е. с плюсом на правой обкладке. При подаче сигнала на управляющий электрод тиристора 28 последний открывается и конденсатор разряжается по цепоч5 ке 34 — 28-30-34.

Под действием тока разряда конденсатора 34 в обмотке 30 дросселя наводится ЭДС с полярностью, указанной на схеме„ Так как все обмотки дросселя магнитосвяэаны„то в обмотке 29 наводится ЭДС того же знака, который приводит к запиранию тиристора 27 за счет приложения к нему обратного . напряжения по контуру 29-27-33т29. 1$

При подаче сигнала на управляющий электрод тиристора ключевого элемента 23-процесс запирания тиристора 28 осуществляется аналогичным путем. Последовательность управляю- щ ших сигналов, подаваемых на тиристоры ключевых элементов 21 — 26, носит программный циклический характер (см. фиг. 5 в). Это приводит к поочвредному подключению комплектов вторичных обмоток к нагрузке и к формиро ванию на последней. квазисинусоидаль ного напряжения с частотой Ц, зависящей от частоты т „ следования .управляющих сигналов.

Блок коммутации (фиг. 1 б) рабо- З0 тает следующим образом.

Для запярания, например, тиристора 27 при полярности конденсатора

47, показанной без скобок, отпирают тиристоры 35, 48 и 49 и к .запираемому тиристору прикладывают напряжение обратной полярности по контуру 47-48-35-27-41-49-47. После этого тиристоры 34, 48, 49 и 52 запираются естественным путем из-эа спадения проте- .40 кающего через них тока до О. После выдержки времени, необходимого для восстановления запирающих свойств этих тиристоров, конденсатор 47 перезаряжают путем включения тиристора 52 и через некоторое время блок готов для запирания следующего основного.тиристора.

Елок кот утации (фиг. 2) работает следу ацим образом.

При полярности напряжения на конденсаторе, показанной беэ скобок, для запирания тиристора 27 отпирают (тиристоры 35 и 41. После выдержки времени, необходимого для запирания этого тиристора, включают перезарядный тиристор 56 и кодденсатор

47 форсированно перезаряжается через обмотку 54 дросселя 31. Для эапирания следующего тиристора 28 включают тиристоры 36 и 42, а затем после со- ц ответствующей задержки - тиристор 57.

Далее процесс повторяется.

В регулируемом по напряжению варианте используется блок коммутации (фиг. 3 . Регулирование выход- 65 ного напряжения осуществляют введением регулируемой паузы между переключениями основных тиристоров. 3амыкание реактивного тока нагрузки в моменты регулировочных пауз обеспечивают включением тиристора 59 моста 58. В этом случае напряжением конденсатора 47 с полярносгью, показанной без скобок, осуществляют за.пирание основных тиристоров, а запирание тирйстора 59 моста 58 — напряжением с полярностью, показанной

- с скобках, путем отпирания соответствующих тиристоров.

При использовании предлагаемого непосредственного преобразователя частоты для построения автономных систем электроснабжения подвижных объектов, выполненных в виде синхронного генератора и преобразователя, необходимость в трехфазном трансформаторе отпадает, а вторичными обмотками трансформатора в этом случае являются расцепленные на соответствующее число секций якорные обмотки генератора.

Таким образом, предлагаемый преобразователь по сравнению с известным отличается простотой своей конструкции за счет исключения двух трехфазных вторичных комплектов обмоток, а в тиристорном выполнении позволяет повысить КПД за счет более рационального построения блока коммутации.

Предлагаемый принцип упрощения силовой части и блока коммутации распространяется также на трансформаторнотиристорные преобразователи с любым числом. Например, при m<>- 3 преобразователь содержит лишь три моста (15, 17 и 19) без соответствующих распределительных .и разделительных вентилей. Кроме того, варианты блоков принудительной коммутации могут быть использованы в неупрощенных (по.силовой части) преобразователях частоты трансформаторно-тиристорного типа.

1. Трансформаторно-тиристорный непосредственный преобразователь частоты содержащий а-фазный трансформатор с комплектами вторичных m-фазных обмоток, соединенных в звезду, m-@aaные вентильные мосты, выходы каждого из которых нагру>кены на управляемые ключевые элементы, а входы подключены ко вторичным m-фазным обмоткам разных фаз различных комплектов m-фазного трансформатора, причвм нулевые точки комплектов вторичных обмоток образуют выходные выводы преобразователя, о т л и Ч а ю щ и йс я тем, что, с целью упрощения, один из трех выходных выводов преобразователя образован точкой объеди10

817919

Лк As нения одного из входных выводов каждого из упомянутых ш-фазных вентиль ных мостов, а остальные входы этих мостов подключены к разноименным концам вторичных m-фазных обмоток трансформатора. 5

2. Преобразователь по и. 1, каждый из ключевых элементов которого выполнен в виде последовательно соединенных обмотки коммутирующего дросселя и основного тиристора с блоком принудительной коммутации, содержащим коммутирующий конденсатор, управ.— ляемые распределительные вентили, разделительные вентили и цепочку из последовательно включенных перезарядных вентиля и обмотки дросселя индуктивности, разделительные и перезарядные дроссели и вентили, о т л ич а ю шийся тем, что разделительные вентили выполнены управляемями, обкладки коммутирующего конденсатора подключены к силовым выво дам основных тиристоров через распределительные и разделительные управляемые вентили, причем с каждой из обкладок конденсатора связаны катоды одной половины и аноды другой половины основных тиристоров.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

М 133950, кл. H 02 М 5/30, 1960.

2. "Электротехника", 9 10, 1966.

3. Патент Швейцарии 9 476419, кл; H P 7/62, Н 02 Р 13/30, 1969..

4. Патент Японии Ð 48-31408, кл. 56 ВЗ,,.1973., 5. Патент США 9 3435321, кл. 321-7 1969.

6. СБ. "Современные задачи преобразовательной техники", вып. 2.

Киев, Институт электродинамики AH

УССР, 1975, с. 132-140 °