RU103254U1

RU103254U1 - FREQUENCY CONVERTER (OPTIONS)

Info

Publication number: RU103254U1
Application number: RU2010148087/07U
Authority: RU
Inventors: Андрей Вячеславович Берилов; Зо Лин Кью; Геннадий Сергеевич Мыцык
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2011-03-27

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники и позволяет повысить энергетическую эффективность преобразователя частоты, который содержит трехфазный трансформатор 1 с первичной трехфазной обмоткой 2, соединенной в «звезду» и своими концами образующую силовые входные выводы пркобразователя «А», «В», «С», и с двумя одинаковыми вторичными трехфазными обмотками 3 и 4, которые соединены между собой согласно последовательно, а точки их соединения образуют выходные выводы преобразователя частоты «а», «b», «с». Свободные концы вторичных трехфазных обмоток 3, 4 подключены к силовым входам управляемых трехцепевых короткозамыкателей 5 и 6, каждый из которых выполнен в виде трехфазного диодного моста 7 и 8 с полностью управляемым ключевым элементом 9 и 10, включенным в цепь постоянного тока соответствующего моста. Блок управления 11 преобразователем частоты выполнен в виде генератора импульсов прямоугольной формы с парафазными (противотактными) выходами, генерирующего импульсы F и прямоугольной формы (частоты f_м). Его выходы подключены к управляющим входам ключевых элементов 9, 10. Преобразователь частоты содержит также блок 12 ограничкния импульсных перенапряжений на ключевых элементах 9, 10. Этот узел содержит разделительные диоды 13÷16, через которые выходы мостов 7, 8 подключены к цепочке из последовательно соединенных дополнительного ключевого элемента 17 и накопительного конденсатора 18, а также узел управления 19 ключевым элементом 17, выполненный в виде компаратора 19 с гистерезисной характеристикой и имеющий три входа. Измерительный его вход подключен к точкам «m», «n» блока 12. Второй его вход подключен к выходу задатчика опорного сигнала 20 (которым обеспечивается ограничение импульсного перенапряжения на ключах 9, 10 на требуемом уровне). Третий вход 21 предназначен для регулировки уровня гистерезиса. Параллельно конденсатору 18 подключен разрядный узел 22. Нагрузку 23 подключают к выходным выводам «а», «b», «с», преобразователя. Число М - целое число, характеризующее фазность преобразователя частоты, может принимать любые практически необходимые значения: М≥2. В другом варианте выполнения преобразователь частоты содержит следующие дополнительные элементы: третий трехцепевой короткозамыкатель 24 в виде трехфазного диодного моста 25 с управляемым ключом 26 в цепи постоянного тока, а также разделительные диоды 27, 28. Блок управления 11 кроме генератора импульсов прямоугольной формы 29, который здесь выполнен иначе - с частотой выходных импульсов 2f и является уже составной частью блока 11, содержит также делитель частоты на два 30 с парафазными выходами (и с выходными импульсами F и ), генератор пилообразного напряжения 31 (с выходным сигналом U_ГПН), компаратор 32 (с выходным сигналом s) и логический узел 33, формирующий сигналы управления ψ₉, ψ₁₀, ψ₂₆основными ключами 9, 10, 26. На его входные силовые выводы «А», «В», «С» подают трехфазное напряжение частоты f_p. При простейшем алгоритме переключения ключевых элементов (в дальнейшем - просто ключей) 9, 10 генератор 11 формирует импульсы F и прямоугольной формы со скважностью s=2 с частотой f_м, обеспечивая попеременное их переключение (фиг.3б). В результате на выходных выводах «а», «b», «с» преобразователя частоты формируется промодулированное частотой f_м трехфазное напряжение сложной формы, основной гармоникой которого является полезно используемая гармоника разностной частоты f_s=|f_м-f_p|. При активно-индуктивной нагрузке высшие гармоники тока ослабляются, причем тем в большей степени, чем больше постоянная времени нагрузки , где L и R - индуктивность и активное сопротивление нагрузки соответственно. Поэтому форма тока в нагрузке оказывается значительно больше приближена к синусоидальной форме, чем напряжение на ней. 2 н.п.ф., 4 илл. The utility model relates to the field of electrical engineering and allows you to increase the energy efficiency of the frequency converter, which contains a three-phase transformer 1 with a primary three-phase winding 2 connected to a "star" and with its ends forming the power input terminals of the converter "A", "B", "C", and with two identical secondary three-phase windings 3 and 4, which are connected to each other in series, and the points of their connection form the output terminals of the frequency converter "a", "b", "c". The free ends of the secondary three-phase windings 3, 4 are connected to the power inputs of the controlled three-circuit short circuits 5 and 6, each of which is made in the form of a three-phase diode bridge 7 and 8 with a fully controlled key element 9 and 10 included in the DC circuit of the corresponding bridge. The control unit 11 of the frequency converter is made in the form of a rectangular pulse generator with paraphase (counter-current) outputs, generating pulses F and rectangular shape (frequency f _m ). Its outputs are connected to the control inputs of the key elements 9, 10. The frequency converter also contains a block 12 of surge protection on the key elements 9, 10. This node contains diodes 13 ÷ 16, through which the outputs of the bridges 7, 8 are connected to a chain of series-connected additional key element 17 and the storage capacitor 18, as well as the control unit 19 of the key element 17, made in the form of a comparator 19 with a hysteretic characteristic and having three inputs. Its measuring input is connected to points "m", "n" of block 12. Its second input is connected to the output of the reference signal setter 20 (which ensures the limitation of the pulse overvoltage on the switches 9, 10 at the required level). The third input 21 is designed to adjust the hysteresis level. In parallel with the capacitor 18, the discharge unit 22. is connected. The load 23 is connected to the output terminals "a", "b", "c" of the converter. The number M is an integer characterizing the phase of the frequency converter, can take any practically necessary values: M≥2. In another embodiment, the frequency converter contains the following additional elements: a third three-circuit short circuit 24 in the form of a three-phase diode bridge 25 with a controlled key 26 in the DC circuit, as well as isolation diodes 27, 28. The control unit 11 except for the rectangular pulse generator 29, which is here performed differently - with a frequency of output pulses 2f and is already an integral part of block 11, also contains a frequency divider for two 30 with paraphase outputs (and with output pulses F and ), a sawtooth voltage generator 31 (with an output signal U _GPN ), a comparator 32 (with an output signal s) and a logical node 33 that generates control signals ψ ₉ , ψ ₁₀ , ψ _{26 with the} main keys 9, 10, 26. To its input power conclusions "A", "B", "C" serves a three-phase voltage frequency f _p . With the simplest algorithm for switching key elements (hereinafter simply keys) 9, 10, the generator 11 generates pulses F and a rectangular shape with a duty cycle s = 2 with a frequency of f _m , providing their alternate switching (figb). As a result, at the output terminals a, b, c, a frequency-modulated three-phase voltage modulated with a frequency f _m is formed, the main harmonic of which is the useful harmonic of the difference frequency f _s = | f _m -f _p |. With an active-inductive load, the higher harmonics of the current are attenuated, and the more so, the greater the load time constant where L and R are the inductance and load resistance, respectively. Therefore, the shape of the current in the load is much more close to the sinusoidal form than the voltage on it. 2 n.p.f., 4 ill.

Description

Полезная модель относится к области электротехники (конкретно к области электрических машин и силовой преобразовательной техники) и может быть использована при построении различного рода генерирующих систем (например, системы «Асинхронизированный синхронный генератор») и частотно-управляемых электроприводов.The utility model relates to the field of electrical engineering (specifically to the field of electrical machines and power converting equipment) and can be used in the construction of various kinds of generating systems (for example, the Asynchronous Synchronous Generator system) and frequency-controlled electric drives.

Известны преобразователи частоты непосредственного типа, у которого имеются две последовательно соединенные трехфазные обмотки (генерирующие напряжение частоты f_р), принадлежащие либо трансформатору (см. стр.10 в журнале «Электротехника», 1981, №3,), либо вспомогательному синхронному генератору, являющемуся составной частью системы «Асинхронизированный синхронный генератор», причем концы этих обмоток подключены к силовым входам двух управляемых трехцепевых ключей-короткозамыкателй, которые в противотакте управляются от задающего генератора частоты f_м. На выходных выводах преобразователя частоты, которыми являются указанные точки соединения трехфазных обмоток, формируется квазисинусоидальное напряжение, основной гармоникой которого является гармоника разностной частоты f_s=f_м-f_p.Known direct frequency converters, which have two series-connected three-phase windings (generating voltage frequency f _r ), belonging either to a transformer (see page 10 in the journal "Electrical Engineering", 1981, No. 3,), or an auxiliary synchronous generator, which is an integral part of the Asynchronous Synchronous Generator system, the ends of these windings being connected to the power inputs of two controlled three-chain short-circuit keys, which are counter-controlled from the master gene Rathore frequency f _m. At the output terminals of the frequency converter, which are the indicated connection points of the three-phase windings, a quasi-sinusoidal voltage is formed, the main harmonic of which is the harmonic of the difference frequency f _s = f _m -f _p .

Недостатками этого преобразователя частоты являются пониженные его значения надежности и КПД, которые вызваны импульсными перенапряжениями на его ключевых элементах, обусловленных индуктивностями рассеяния обмоток трансформатора (или генератора).The disadvantages of this frequency converter are its reduced reliability and efficiency values, which are caused by surge overvoltages on its key elements, due to the leakage inductances of the transformer (or generator) windings.

Наиболее близким по техническому решению к полезной модели является преобразователь частоты непосредственного типа, описанный на стр.9 в журнале «Электротехника», 1966, №10. Преобразователь частоты содержит генерирующий узел в виде двух одинаковых согласно последовательно соединенных трехфазных или в общем случае М-фазных обмоток трехфазного трансформатора или генератора, точки соединения которых образуют выходные выводы преобразователя частоты, два управляемых трехцепевых ключа-короткозамыкателя, каждый в виде трехфазного диодного моста с управляемым основным ключом, включенным между выводами его постоянного тока, причем три вывода переменного тока каждого моста подключены к концам одной из трехфазных обмоток, а также блок управления, включающий в себя генератор импульсов прямоугольной формы с парафазными выходами, каждый из которых подключен к управляющему входу одного из основных ключей.The closest technical solution to the utility model is a direct type frequency converter, described on page 9 in the journal "Electrical Engineering", 1966, No. 10. The frequency converter contains a generating unit in the form of two identical according to series-connected three-phase or generally M-phase windings of a three-phase transformer or generator, the connection points of which form the output terminals of the frequency converter, two controlled three-circuit short-circuit keys, each in the form of a three-phase diode bridge with a controlled the main key connected between the terminals of its DC current, and three AC terminals of each bridge are connected to the ends of one of the three-phase windings, as well as a control unit, which includes a rectangular pulse generator with paraphase outputs, each of which is connected to the control input of one of the main keys.

Однако, в известном техническом решении заметно снижена энергетическая эффективность преобразователя частоты.However, in the known technical solution, the energy efficiency of the frequency converter is markedly reduced.

Техническим результатом полезной модели является повышение энергетической эффективности преобразователя частоты.The technical result of the utility model is to increase the energy efficiency of the frequency converter.

Этот технический результат достигается тем, что в известном преобразователе частоты, содержащем генерирующий узел в виде двух одинаковых согласно последовательно соединенных М-фазных обмоток М-фазного трансформатора или генератора, где М≥2 - целое число, точки соединения которых образуют выходные выводы преобразователя частоты, два управляемых М-цепевых короткозамыкателя, каждый в виде М-фазного диодного моста с управляемым основным ключом, включенным между выводами его постоянного тока, причем М выводов переменного тока каждого моста подключены к концам одной из М-фазных обмоток М-фазного трансформатора или генератора, а также блок ограничения импульсных перенапряжений и блок управления, включающий в себя генератор импульсов прямоугольной формы с парафазными выходами, каждый из которых подключен к управляющему входу одного из основных ключей, блок ограничения импульсных перенапряжений выполнен в виде четырех разделительных диодов, буферной цепочки из последовательно включенных дополнительного управляемого ключа, накопительного конденсатора, зашунтированного разрядным узлом, компаратора с регулируемым уровнем гистерезиса, выходом подключенного к управляющему входу дополнительного ключа, и задатчика уровня ограничения импульсных перенапряжений, выходом подключенного к опорному входу компаратора, причем разделительные диоды подключены к соответствующим выводам постоянного тока трехфазных диодных мостов таким образом, что образуют дополнительный выпрямитель, к выводам постоянного тока которого подключены упомянутая буферная цепочка и измерительный вход компаратора.This technical result is achieved in that in a known frequency converter containing a generating unit in the form of two identical according to series-connected M-phase windings of an M-phase transformer or generator, where M≥2 is an integer, the connection points of which form the output terminals of the frequency converter, two controlled M-circuit short-circuits, each in the form of an M-phase diode bridge with a controlled main switch connected between the terminals of its direct current, and M conclusions of the alternating current of each bridge and connected to the ends of one of the M-phase windings of the M-phase transformer or generator, as well as a surge voltage limiting unit and a control unit including a rectangular pulse generator with paraphase outputs, each of which is connected to the control input of one of the main keys, the surge voltage limiting block is made in the form of four isolation diodes, a buffer chain of sequentially connected additional controlled key, a storage capacitor, shunted a discharge unit, a comparator with an adjustable hysteresis level, an output of an additional switch connected to the control input, and a surge voltage limiter, an output connected to the comparator reference input, and the diodes being connected to the corresponding DC terminals of three-phase diode bridges in such a way that they form an additional rectifier , to the DC terminals of which the aforementioned buffer chain and the measuring input of the comparator are connected.

В другом варианте выполнения полезной модели технический результат достигается тем, что известный преобразователь частоты, содержащий генерирующий узел в виде двух одинаковых согласно последовательно соединенных М-фазных обмоток генератора или М-фазного трансформатора, точки соединения которых образуют выходные выводы М-фазного преобразователя частоты, два управляемых М-цепевых короткозамыкателя, каждый в виде М-фазного диодного моста с управляемым основным ключом, включенным между выводами его постоянного тока, причем М выводов переменного тока каждого диодного моста подключены к концам одной из М-фазных обмоток генератора или М-фазного трансформатора, а также блок ограничения импульсных перенапряжений и блок управления, включающий в себя генератор импульсов прямоугольной формы с парафазными выходами, снабжен третьим управляемым М-цепевым короткозамыкателем, выполненным аналогично двум вышеуказанным короткозамыкателям (в виде М-фазного диодного моста с управляемым основным ключом, подключенным к выводам его постоянного тока), причем М его выводов переменного тока подключены к выходным выводам преобразователя частоты, блок управления снабжен делителем частоты на 2 с парафазными выходами, своим входом подключенным к генератору импульсов прямоугольной формы, а также генератором пилообразного напряжения, компаратором и логическим узлом, который своими выходами подключен к управляющим входам трех упомянутых основных ключей, вход генератора пилообразного напряжения подключен к выходу генератора импульсов прямоугольной формы, его выход - к одному входу компаратора, второй вход которого предназначен для подачи на него сигнала управления выходным напряжением преобразователя частоты, выходы компаратора и делителя частоты подключены ко входам логического узла, блок ограничения импульсных перенапряжений выполнен в виде шести разделительных диодов, которые подключены к соответствующим выводам постоянного тока каждого из трех М-фазных диодных мостов таким образом, что образуют дополнительный выпрямитель, буферной цепочки из последовательно включенных дополнительного управляемого ключа и накопительного конденсатора, зашунтированного разрядным узлом, компаратора с управляемым уровнем гистерезиса, выходом подключенного к управляющему входу дополнительного ключа, и задатчика уровня ограничения импульсных перенапряжений, выходом подключенного к опорному входу компаратора, а к выходу дополнительного выпрямителя, образованного разделительными диодами, подключена буферная цепочка и измерительный вход компаратора.In another embodiment of the utility model, the technical result is achieved in that a known frequency converter comprising a generating unit in the form of two identical according to series-connected M-phase windings of a generator or M-phase transformer, the connection points of which form the output terminals of the M-phase frequency converter, two controlled M-circuit short-circuit, each in the form of an M-phase diode bridge with a controlled main key connected between the terminals of its direct current, and M conclusions ne the alternating current of each diode bridge is connected to the ends of one of the M-phase windings of the generator or the M-phase transformer, as well as a surge voltage limiting unit and a control unit including a rectangular pulse generator with paraphase outputs, equipped with a third controllable M-circuit short circuit, made similarly to the two aforementioned short circuits (in the form of an M-phase diode bridge with a controlled main switch connected to its DC terminals), and M of its alternating terminals current are connected to the output terminals of the frequency converter, the control unit is equipped with a 2-frequency divider with paraphase outputs, its input connected to a rectangular pulse generator, as well as a sawtooth voltage generator, a comparator and a logical node, which is connected by its outputs to the control inputs of the three mentioned main keys , the input of the sawtooth generator is connected to the output of a rectangular pulse generator, its output is to one input of the comparator, the second input of which is started to supply a control signal to the output voltage of the frequency converter, the comparator and frequency divider outputs are connected to the inputs of the logical node, the surge voltage limiting unit is made in the form of six isolation diodes that are connected to the corresponding DC terminals of each of the three M-phase diode bridges so the way that they form an additional rectifier, a buffer chain of sequentially connected additional controlled key and storage capacitor, shunt ovannogo bit node of the comparator with a controlled level of hysteresis, the output connected to the control input of an additional key, and set point limit level surge, the output connected to the reference input of the comparator and to the output of the additional rectifier formed by separating diodes connected to the buffer chain and a measuring input of the comparator.

Сущность полезной модель поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема преобразователя частоты по первому варианту; на фиг.2 приведена схема преобразователя частоты по другому варианту выполнения преобразователя; на фиг.3 для преобразователя частоты по первому варианту приведены осциллограммы выходных напряжения и тока преобразователя частоты - а) и напряжения на одном из основных его ключей - б); на фиг.4 приведены временные диаграммы для преобразователя частоты по второму варианту, поясняющие принцип построения и работы его блока управления.The essence of the utility model is illustrated by drawings, where figure 1 shows a diagram of a frequency converter according to the first embodiment; figure 2 shows a diagram of a frequency Converter according to another embodiment of the converter; figure 3 for the frequency converter according to the first embodiment, the waveforms of the output voltage and current of the frequency converter - a) and the voltage on one of its main keys - b); figure 4 shows the timing diagrams for the frequency Converter according to the second embodiment, explaining the principle of construction and operation of its control unit.

Преобразователь частоты содержит трехфазный трансформатор 1 с первичной трехфазной обмоткой 2, соединенной в «звезду» и своими концами образующую силовые входные выводы преобразователя «А», «В», «С», и с двумя одинаковыми вторичными трехфазными обмотками 3 и 4, которые соединены между собой согласно последовательно, а точки их соединения образуют выходные выводы преобразователя частоты «а», «b», «с». Свободные концы вторичных трехфазных обмоток 3, 4 подключены к силовым входам управляемых трехцепевых короткозамыкателей 5 и 6, каждый из которых выполнен в виде трехфазного диодного моста 7 и 8 с полностью управляемым ключевым элементом 9 и 10, включенным в цепь постоянного тока соответствующего моста. Блок управления 11 преобразователем частоты выполнен в виде генератора импульсов прямоугольной формы с парафазными (противотактными) выходами, генерирующего импульсы F и прямоугольной формы (частоты f_м). Его выходы подключены к управляющим входам ключевых элементов 9, 10. Преобразователь частоты содержит также блок 12 ограничения импульсных перенапряжений на ключевых элементах 9, 10. Этот узел содержит разделительные диоды 13÷16, через которые выходы мостов 7, 8 подключены к цепочке из последовательно соединенных дополнительного ключевого элемента 17 и накопительного конденсатора 18, а также узел управления 19 ключевым элементом 17, выполненный в виде компаратора 19 с гистерезисной характеристикой и имеющий три входа. Измерительный его вход подключен к точкам «m», «n» блока 12. Второй его вход подключен к выходу задатчика опорного сигнала 20 (которым обеспечивается ограничение импульсного перенапряжения на ключах 9, 10 на требуемом уровне). Третий вход 21 предназначен для регулировки уровня гистерезиса. Параллельно конденсатору 18 подключен разрядный узел 22. Нагрузку 23 подключают к выходным выводам «а», «b», «с», преобразователя.The frequency converter contains a three-phase transformer 1 with a primary three-phase winding 2 connected to a "star" and forming at its ends the power input terminals of the converter "A", "B", "C", and with two identical secondary three-phase windings 3 and 4, which are connected according to each other in series, and their connection points form the output terminals of the frequency converter "a", "b", "s". The free ends of the secondary three-phase windings 3, 4 are connected to the power inputs of the controlled three-circuit short circuits 5 and 6, each of which is made in the form of a three-phase diode bridge 7 and 8 with a fully controlled key element 9 and 10 included in the DC circuit of the corresponding bridge. The control unit 11 of the frequency converter is made in the form of a rectangular pulse generator with paraphase (counter-current) outputs, generating pulses F and rectangular shape (frequency f _m ). Its outputs are connected to the control inputs of the key elements 9, 10. The frequency converter also contains a block 12 of surge protection on the key elements 9, 10. This node contains diodes 13 ÷ 16, through which the outputs of the bridges 7, 8 are connected to a chain of series-connected additional key element 17 and the storage capacitor 18, as well as the control unit 19 of the key element 17, made in the form of a comparator 19 with a hysteretic characteristic and having three inputs. Its measuring input is connected to points "m", "n" of block 12. Its second input is connected to the output of the reference signal setter 20 (which ensures the limitation of the pulse overvoltage on the switches 9, 10 at the required level). The third input 21 is designed to adjust the hysteresis level. In parallel with the capacitor 18, the discharge unit 22. is connected. The load 23 is connected to the output terminals "a", "b", "c" of the converter.

Число М - целое число, характеризующее фазность преобразователя частоты, может принимать любые практически необходимые значения: М≥2.The number M is an integer characterizing the phase of the frequency converter, can take any practically necessary values: M≥2.

В другом варианте выполнения преобразователь частоты содержит следующие дополнительные элементы: третий трехцепевой короткозамыкатель 24 в виде трехфазного диодного моста 25 с управляемым ключом 26 в цепи постоянного тока, а также разделительные диоды 27, 28. Блок управления 11 кроме генератора импульсов прямоугольной формы 29, который здесь выполнен иначе - с частотой выходных импульсов 2f и является уже составной частью блока 11, содержит также делитель частоты на два 30 с парафазными выходами (и с выходными импульсами F и ), генератор пилообразного напряжения 31 (с выходным сигналом U_ГПН), компаратор 32 (с выходным сигналом s) и логический узел 33, формирующий сигналы управления ψ₉, ψ₁₀, ψ₂₆ основными ключами 9, 10, 26.In another embodiment, the frequency converter contains the following additional elements: a third three-circuit short circuit 24 in the form of a three-phase diode bridge 25 with a controlled key 26 in the DC circuit, as well as isolation diodes 27, 28. The control unit 11 except for the rectangular pulse generator 29, which is here performed differently - with a frequency of output pulses 2f and is already an integral part of block 11, also contains a frequency divider for two 30 with paraphase outputs (and with output pulses F and ), a sawtooth voltage generator 31 (with an output signal U _GPN ), a comparator 32 (with an output signal s), and a logical node 33 generating control signals ψ ₉ , ψ ₁₀ , ψ _{26 with the} main keys 9, 10, 26.

Преобразователь частоты по первому варианту работает следующим образом.The frequency converter according to the first embodiment works as follows.

На его входные силовые выводы «А», «В», «С» подают трехфазное напряжение частоты f_p. При простейшем алгоритме переключения ключевых элементов (в дальнейшем - просто ключей) 9, 10 генератор 11 формирует импульсы F и прямоугольной формы со скважностью s=2 с частотой f_м, обеспечивая попеременное их переключение (фиг.3б). В результате на выходных выводах «а», «b», «с» преобразователя частоты формируется промодулированное частотой f_м трехфазное напряжение сложной формы (фиг.3а), основной гармоникой которого является полезно используемая гармоника разностной частоты f_s=|f_м-f_p|. При активно-индуктивной нагрузке высшие гармоники тока ослабляются, причем тем в большей степени, чем больше постоянная времени нагрузки , где L и R - индуктивность и активное сопротивление нагрузки соответственно. Поэтому форма тока в нагрузке оказывается значительно больше приближена к синусоидальной форме, чем напряжение на ней (см. фиг.3а)..At its input power terminals "A", "B", "C" serves a three-phase voltage frequency f _p . With the simplest algorithm for switching key elements (hereinafter simply keys) 9, 10, the generator 11 generates pulses F and a rectangular shape with a duty cycle s = 2 with a frequency of f _m , providing their alternate switching (figb). As a result, at the output terminals "a", "b", "c" of the frequency converter, a three-phase complex-voltage modulated frequency f _m is generated (Fig. 3a), the main harmonic of which is the useful harmonic of the difference frequency f _s = | f _m -f _p |. With an active-inductive load, the higher harmonics of the current are attenuated, and the more so, the greater the load time constant where L and R are the inductance and load resistance, respectively. Therefore, the shape of the current in the load is much closer to the sinusoidal form than the voltage on it (see figa).

В реальных схемах обмотки генерирующего узла (генератора или трансформатора) содержат индуктивности рассеяния L_s, которые при переключениях ключей 9, 10 создают на них импульсные перенапряжения с уровнем, пропорциональным значению индуктивности рассеяния L_s и скорости изменения коммутируемого тока нагрузки:In real circuits, the windings of the generating unit (generator or transformer) contain leakage inductances L _s , which, when switching the switches 9, 10, generate pulse overvoltage on them with a level proportional to the value of the leakage inductance L _s and the rate of change of the switched load current:

, ,

где Δi_к- уровень изменения тока от текущего значения до нуля; Δt - интервал времени, в течение которого происходит изменение тока Δi_к.where Δi _k is the level of current change from the current value to zero; Δt is the time interval during which the current Δi _k changes.

Без принятия специальных мер, эти импульсные перенапряжения приводят к выходу ключей 9, 10 из строя. Если в качестве ключей используют транзисторы, время включения и выключения Δt у которых мало и составляет десятки nS, то даже уже при сравнительно небольшом значении параметра L_s=1 µН и переключении тока, например, Δi_к=10 А при времени его переключения Δt=10 nS возникает импульс перенапряжения, равныйWithout special measures, these surge voltages lead to the failure of the keys 9, 10. If transistors are used as switches, the on and off time Δt for which is short and amounts to tens of nS, then even with a relatively small value of the parameter L _s = 1 μN and a current switching, for example, Δi _k = 10 A at its switching time Δt = 10 nS there is an overvoltage pulse equal to

Причем это перенапряжение суммируется с тем рабочим напряжением, при котором ключ работает без учета перенапряжения.Moreover, this overvoltage is summarized with the operating voltage at which the switch operates without taking into account overvoltage.

Преобразователь частоты с предложенным блоком 12 ограничения импульсных перенапряжений в значительной степени (не менее, чем на 90%) ослабляет этот недостаток. На осциллограмме, представленной на фиг.3б, благодаря блоку 12 импульсное перенапряжение на ключе 10 снижено с 500 В до 25 В, то есть на 95%. Работает преобразователь частоты с узлом 12 следующим образом. После запирания одного из ключей, например 10, протекавший через обмотки трансформатора ток создает на их индуктивностях рассеяния импульс напряжения u_имп(t) с полярностью, стремящейся поддержать протекание в них тока в том же направлении. Этот импульс напряжения, суммируясь с основным рабочим напряжением, прикладывается к запираемому ключу (10), а также между точками «m», «n» блока 12. К этим же точкам подключен измерительный вход компаратора 19 с гистерезисом, настроенный на требуемый уровень срабатывания - U_20вкл. При достижении импульсом напряжения u_имп(t) уровня U_20вкл компаратор 19 срабатывает и выдает импульс на включение дополнительного ключа 17. Он включается и импульсное перенапряжение u_имп(t) прикладывается к накопительному конденсатору 18. После этого энергияThe frequency converter with the proposed block 12 of the surge voltage limitation to a large extent (not less than 90%) weakens this disadvantage. On the waveform shown in figb, thanks to block 12, the surge voltage on the key 10 is reduced from 500 V to 25 V, that is, 95%. The frequency converter operates with a node 12 as follows. After locking one of the keys, for example 10, the current flowing through the transformer windings creates a voltage pulse u _imp (t) at their scattering inductances with a polarity that tends to maintain the current flowing in them in the same direction. This voltage pulse, summing up with the main operating voltage, is applied to the lockable key (10), as well as between the points “m”, “n” of block 12. The measuring input of the comparator 19 with hysteresis, adjusted to the required response level, is connected to the same points - U _{20 on} When the pulse reaches the voltage u _imp (t) of the level U _{20 on, the} comparator 19 is activated and gives a pulse to turn on the additional key 17. It turns on and the pulse overvoltage u _imp (t) is applied to the storage capacitor 18. After that, the energy

, ,

накопленная в индуктивностях рассеяния обмоток трансформатора (где I_к - значение тока в обмотках в момент коммутации ключа 10), передается этому конденсатору, а импульсное перенапряжение u_имп(t) начинает резко снижаться. Компаратор с гистерезисом 19 имеет два уровня - уровень срабатывания (U_20вкл), задаваемый узлом ограничения уровня перенапряжений 20, и уровень отпускания (U_21отп), задаваемый по входу 21 настройки уровня гистерезиса. Требуемые значения этих уровней задаются при настройке. При снижении импульсного напряжения u_имп(t) до уровня U_21отп компаратор переходит в противоположное состояние, импульс на включение дополнительного ключа 17 снимается с его управляющего входа, и он выключается. Таким образом, конденсатор 18 подключается на напряжение между точками «m», «n» кратковременно - лишь на время Δt_имп действия импульсного перенапряжения u_имп(t) с заранее установленным допустимым на ключе максимальным значением напряжения. В реальных схемах преобразователей в зависимости от их мощности этот интервал Δt_имп может составлять от долей до нескольких микросекунд. При наступлении момента, когда выключается другой ключ (9), процессы полностью повторяются. В результате периодического включения и выключения ключей 9, 10 на конденсаторе 18 накапливается энергия, сбрасываемая в него с индуктивностей рассеяния обмоток трехфазного трансформатора (или генератора), и поэтому напряжение на нем будет последовательно нарастать. Чтобы не допустить нарастания напряжения на конденсаторе 18 до неприемлемого значения, параллельно ему подключают разрядный узел 22 утилизации энергии конденсатора. В простейшем случае при малых мощностях рассеяния энергии в качестве такого узла может быть установлен резистор. В других случаях (при относительно большой энергии рассеяния) в качестве разрядного элемента могут использоваться энергетически более эффективные (энергонерассеивающие) средства, например, импульсные устройства, обеспечивающие преобразование напряжения постоянного тока (конденсатора) определенного уровня в напряжение требуемого качества для питания вспомогательных узлов или систем.accumulated in the inductance of the transformer windings (where I _to is the value of the current in the windings at the time of switching the key 10), is transferred to this capacitor, and the pulse overvoltage u _imp (t) begins to decrease sharply. The comparator with hysteresis 19 has two levels - the response level (U _{20 on} ), set by the node limiting the level of overvoltage 20, and the release level (U _21otp ), specified by the input 21 of the hysteresis level setting. The required values of these levels are set during configuration. When reducing the pulse voltage u _imp (t) to the level of U _{21otp, the} comparator goes into the opposite state, the pulse to turn on the additional key 17 is removed from its control input, and it turns off. Thus, the capacitor 18 is connected to the voltage between the points “m”, “n” for a short time - only for the time Δt _{imp of the} action of the pulse overvoltage u _imp (t) with the maximum voltage value that is admissible on the key and is pre-set. In real converter circuits, depending on their power, this interval Δt _imp can be from fractions to several microseconds. When the moment comes when another key is turned off (9), the processes are completely repeated. As a result of the periodic switching on and off of the keys 9, 10, energy is accumulated on the capacitor 18, which is discharged into it from the dissipation inductances of the windings of the three-phase transformer (or generator), and therefore the voltage on it will increase sequentially. In order to prevent the voltage on the capacitor 18 from rising to an unacceptable value, a discharge unit 22 for capacitor energy recovery is connected in parallel with it. In the simplest case, at low energy dissipation powers, a resistor can be installed as such a node. In other cases (with a relatively high dissipation energy), energetically more efficient (energy-scattering) means, for example, pulse devices, which convert a DC voltage (capacitor) of a certain level to a voltage of the required quality to power auxiliary units or systems can be used as a discharge element.

По энергетической эффективности предложенное средство ограничения импульсных перенапряжений превосходит известные традиционные решения в худшем случае - не менее, чем на порядок, и в лучшем случае - не менее, чем на два порядка.In terms of energy efficiency, the proposed means of limiting surge voltage surpasses well-known traditional solutions in the worst case - by no less than an order of magnitude, and in the best case - by no less than two orders of magnitude.

Преобразователь частоты по второму варианту работает следующим образом. Он отличается от первого варианта тем, что реализует функцию регулирования выходного напряжения. Данная задача решается благодаря тому, что между переключениями ключей 9, 10 вводится регулируемая пауза α. Поскольку при активно-индуктивном характере нагрузки ток в ней во избежание аварийных перенапряжений прерываться не должен, то на интервале α включают ключ 26 трехцепевого короткозамыкателя 24, и таким образом для тока нагрузки обеспечивается путь для его протекания. Для снятия возможных импульсных перенапряжений, которые все же кратковременно могут возникать из-за известной инерционности реального ключа 26 и из-за индуктивностей рассеяния обмоток генерирующего узла (трансформатора в данном случае), введены разделительные диоды 27, 28 через которые энергия, сосредоточенная в реактивностях системы, в моменты перключения ключей сбасывается через управляемый дополнительный ключ 17 в конденсатор 18. Блок управления 11 во втором варианте преобразователя имеет другой вид. Принцип его работы поясняется временными диаграммами на фиг.4. Генератор 29 генерирует парафазные (противофазные) импульсы 2f и прямоугольной формы. Они поступают на входы делителя частоты 30 и генератора пилообразного напряжения 31. С генератора пилообразного напряжения последовательность импульсов треугольной формы U_ГПН подается на один вход компаратора 32, а на другой его вход подается управляющий сигнал U_у. В компараторе сигналы U_ГПН и U_у сравниваются, и на его выходе формируется импульсная последовательность S, которая, во-первых, используется для управления ключом 26 трехцепевого короткозамыкателя 24, а во-вторых, подается на соответствующие входы логического узла 33. На входы логического узла 33 подается также пара противофазных импульсов F₂ и с делителя частоты 30, которые имеют частоту следования f₂ (то есть вдвое меньшую, чем на выходе генератора 29). В логическом узле 33 производится логическая обработка сигналов S и F, для подачи их на управляющие входы ключей 9, 10 в соответствии со следующими логическими выражениями:The frequency converter according to the second embodiment operates as follows. It differs from the first option in that it implements the function of regulating the output voltage. This problem is solved due to the fact that between the switches of the keys 9, 10 an adjustable pause α is introduced. Since the current in it should not be interrupted in order to avoid accidental overvoltages with the active-inductive nature of the load, then the key 26 of the three-circuit short circuit 24 is turned on in the interval α, and thus, a path for its passage is provided for the load current. To remove possible pulse overvoltages, which nevertheless can occur for a short time due to the known inertia of the real key 26 and because of the inductance of the windings of the generating unit (transformer in this case), isolation diodes 27, 28 are introduced through which the energy concentrated in the reactances of the system , at the moment of switching the keys, it is reset through the controlled additional key 17 to the capacitor 18. The control unit 11 in the second version of the converter has a different form. The principle of its operation is illustrated by timing diagrams in figure 4. The generator 29 generates paraphase (antiphase) pulses 2f and rectangular shape. They enter the inputs of the frequency divider 30 and the sawtooth voltage generator 31. From the sawtooth voltage generator, a pulse train of a triangular shape U _GPN is supplied to one input of the comparator 32, and a control signal U _у is supplied to its other input. In the comparator, the signals U of the _SPS and U _{у are} compared, and a pulse sequence S is generated at its output, which, firstly, is used to control the key 26 of the three-circuit short circuit 24, and secondly, is fed to the corresponding inputs of the logical node 33. The inputs of the logical node 33 is also fed a pair of antiphase pulses F ₂ and with a frequency divider 30, which have a repetition rate f ₂ (that is, half as much as the output of the generator 29). In the logical node 33 is a logical processing of signals S and F, to submit them to the control inputs of the keys 9, 10 in accordance with the following logical expressions:

; ; ψ₂₆=S. ; ; ψ ₂₆ = S.

Таким образом, введение в первом варианте преобразователя частоты соответствующим образом выполненного блока ограничения импульсных перенапряжений на его ключах, обусловленных индуктивностями рассеяния обмоток трансформатора (или генератора) и не идеальностью динамических характеристик ключей, позволяет существенно улучшить его энергетические показатели. Такой же эффект достигается и во втором варианте преобразователя, который к тому же реализует еще и функцию регулирования его выходного напряжения. Кроме того, в обоих вариантах преобразователя частоты расширяется область их применения.Thus, the introduction in the first version of the frequency converter of an appropriately executed block of impulse overvoltage limitation on its keys, due to the leakage inductances of the transformer (or generator) windings and not ideal dynamic characteristics of the keys, can significantly improve its energy performance. The same effect is achieved in the second version of the converter, which also implements the function of regulating its output voltage. In addition, in both versions of the frequency converter, their scope is expanding.

Использование полезной модели позволяет повысить энергетическую эффективность преобразователя частоты.Using the utility model allows to increase the energy efficiency of the frequency converter.

Claims

1. A frequency converter containing a generating unit in the form of two identical according to series-connected M-phase windings of a generator or transformer, where M≥2 is an integer, the connection points of which form the output terminals of the frequency converter, two controlled M-chain short circuits, each in the form M-phase diode bridge with a controlled main key connected between the terminals of its direct current, and M terminals of alternating current of each diode bridge are connected to the ends of one of the M-phase windings, as well as surge suppression and control unit, which includes a rectangular pulse generator with paraphase outputs, each of which is connected to the control input of one of the main keys, characterized in that the surge suppression unit, made in the form of four diode isolation, buffer chain from sequentially included additional controlled key and storage capacitor, shunted by the discharge node, a comparator with a controlled hysteresis level, output connected to the control input of the additional key, and the master of the level of impulse overvoltage restriction, the output connected to the reference input of the comparator, and the dividing diodes connected to the corresponding DC terminals of the M-phase diode bridges in such a way that they form an additional rectifier, to the DC terminals of which are connected the aforementioned buffer chain and measuring input of the comparator.

2. A frequency converter containing a generating unit in the form of two identical according to series-connected M-phase windings of a generator or transformer, where M≥2 is an integer, the connection points of which form the output terminals of the frequency converter, two controlled M-circuit short circuits, each in the form M-phase diode bridge with a controlled main key connected between the terminals of its direct current, and M terminals of alternating current of each bridge are connected to the ends of one of the M-phase windings of the M-phase transform ora, as well as an impulse overvoltage limiting unit and a control unit including a rectangular pulse generator with paraphase outputs, characterized in that it is equipped with a third controllable M-circuit short circuit, identical to the two above-mentioned short circuits, with M of its AC terminals connected to to the output terminals of the frequency converter, the block of surge voltage limitation is made in the form of six isolation diodes, a buffer chain of sequentially connected additional an integral controlled key and a storage capacitor shunted by the discharge unit, a comparator with a controlled hysteresis level, an output connected to the control input of an additional key, and a voltage surge limiter, an output connected to the reference input of the comparator, the diodes being connected to the corresponding DC outputs of each three M-phase diode bridges in such a way that they form an additional rectifier, between which DC terminals The mentioned buffer circuit and the measuring input of the comparator are included, and the control unit is equipped with a frequency divider of 2 with a paraphase output, the input of which is connected to the output of a rectangular pulse generator, a sawtooth voltage generator, a comparator and a logical node that is connected to the control inputs of the three mentioned outputs main keys, and the input of the sawtooth voltage generator connected to the output of the rectangular pulse generator, its output to one input of the comparator , the second input of which is intended for supplying a control signal to the output voltage of the frequency converter, and the outputs of the comparator and frequency divider are connected to the inputs of the logical node.