SU1117794A1 - Статический преобразователь частоты - Google Patents

Abstract

СТАтаЧЕСКИЙ ПРЮВРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащий трансформатор с вращающимс  магнитным полем, вход на  и выходна  трехфазные обмотки которого выполнены с различным числом полюсов - 2р1 и 2р2 и расположены на общем кольцевом магнитопроводе по типу магнитопровсда электрических машин переменного тока,отличающийс  тем, что, с целью з лучшени  энергетических характеристик и расширени  функциональных возможностей, в Него введены многофазный выпр митель и многофазный полупроводниковый инвертор, вьшолненные по многофазным многоблочным мостЬвым схемам, а кольцевой магнитопровод трансформатсфа дополнительно снабжен двум  многофазными обмотками , выполненными с различным чис лом полюсов, причем концы одной многофазной обмотки с числом полюсов 2р1 подключены к входу многофазного выпр мител , а концы второй многофазной оймотки с числом полюсов 2р2 подключень к вькоду многофазного полупроводникового инвертора, соединенного своим входом посто нного тока с выходом многофазного выпр мител .- . CD 4а

Description

Изобретение относитс  к области :иловОй преобразовательной техники, 9 частности к статическим преобразо вател м магнитовентильного типа, в которых используетс  трансформатор, выполненный на магнитопроводе по типу статора электрической машины переменного тока с вращающимс  магнитньм полем, и может найти применение в системах электропитани  в качестве вторичного источника напр  жени  стабильной или измен ющейс  частоты с трансформаторным входом и выход ом например, дл,  питани  разнообразных потребителей, частота питани  которых выше или ниже часто ты промышпенной сети, а также дл  одновременного питани  потребителей посто нным током. Известны преобразователи частоты , дл  которых характерным  вл етс  на личие двух многообмоточных трансфор маторов входной и выходной частоты, используемых дл  целей согласовани  уровней напр жений питающей сети, преобразовател  и нагрузки, как разделительные, и в то же врем  как ферромагнитные преобразователи числа фаз дл  организ ацри многофазной структзфы преобразовани , обеспечивающей высокое качество потреб л емого тока и выходного напр жени  щ)еобразоватедей СП-ГЗ}. Наличие в этих преобразовател х нескольких трансформаторов соизмеримой мощности, выполненных на магнитопроводах разных типоразмеров, приводит к увеличению массы и габари тов, повышенному расходу активных и конструкционных материалов на единицу мощности преобразовател , большой установленной мощности трансформатор ного оборудовани  и повш1ению трудоемкости его изготовлени . Известны электромашинные преобразователи частоты,-в которых использован принцип совмещени  нескольких вращающихс  магнитных прлей в общем м гнитопроврде. Такие совмещенные преобразователи частоты представл ют собой электрическую машину,- на статоре и роторе которой в общих пазах размещены разнополюсные обмотют отдельных машин преобразовател , между которьо4И взаимна  индуктивна  св зь отсутствует. Такое совмещение магнитных систем нескольких электрических машин в общем магнитопроводе снижает массу и габариты преобразовател , улучшает использование активных материалов, повышает энергетические показатели и дает зна 1ительный экономический эффект 4 5. Однако недостатками электромашинных совмещенных преобразователей частоты  вл ютс  плохие виброакустические характеристики, износ щеток и подшипников, механические потериJ пониженный коэффициент мощности требует применени  емкостно компенсации- . В таких преобразовател х при определенных услови х одновременное действие в совмещенном магнитопроводе несколько магнитных полей может привести к возникновению значительных электромагнитных сил вибрационного характера, способных цривести к нарушению нормальной работы преоб разовател , возрастанию намагничива щих токов и магнитных потерь, по влению дополнительных шумов. Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  статический ферромагнитный преобразователь частоты с враща  цимс  магнитным полем, содержащий общий кольцевой магнитопровод, вьлолненный по типу магнитопроводов машин переменного тока, в пазах которого расположены многофазные первична  и вторична  обмотки с различным числом полюсов, а на  рме магнитопровода расположена обмотка подмагничивани , питаема  от выпр мительного моста, подключенного зажимами переменного тока к концам первичной обмотки. Принцип действи  такого преобразовател  представл ющего собой трансформатор с насьш1енным вращающимс  и посто нным магнитными пол ми ферромагнитным магнитопроводом, основан на выде ении высших гармонических ЭДС четного или нечетного пор дка во вторичных обмотках, полюсноеть которого кратна номеру водеп емых гармоник. Простота, компактность, надежность и относительна  дешевизна отличают его от преобразователей других типов. Применение в таких преобразовател х частоты совмещенных обмоток позвол ет усовершенствовать их конструкцию и улучшить массогабаритные показатели устройства 5. Однако использование в известном преобразователе частоты трансформатора с насыщенным магнитопроводом приводит к большим потер м энергии в нем, и как следствие, невысокому входному коэффициенту мощности и КПД Дл  повышени  коэффициента мощности и улучшени  внешней характеристики преобразовател  в нем устанавливаютс  дополнительные конденсаторы емкостной компенсации, соизмеримой с преобразователем мощности, что приводит к увеличению веса и габаритов устройства. Кроме того, вследствие незначительности амплитуды и мощност рабочей гармоники повышенной частоты тока коэффициент использовани  установленной мощности преобразовател   вл етс  низким. В св зи с этим неэффективно также-использование гармоник выше третьей. Полученйе больших кратностей преобразовани  частоты возможно при каскадном соединении преобразователей, однако это усложн ет устройство, приводит к увеличенному расходу активного материала , большому весу снижению КПД. Этот преобразователь частоты невозможно использовать в широком диапазоне частот, а- также при колеба ки х напр жени  питающей сети, что ограничивает область применени  устройства. Целью изобретени   вл етс  улучшение энергетических характеристик преобразовател  частоты: пЬвьш1ение коэффициентамощности, КПД, уменьшение установленной мощности оборудовани  при широком диапазоне регулировани  частоты и расширение функциональных возможностей устройства при повыпенньк требовани х к качеству потребл емого преобразователем тока и выходного напр жени . Дл  достижени  поставленной цепи в статический преобразователь частоты , содержащий трансформатор с вращающимс  магнитным полем, входна  и выходна  трехфазные обмотки которо го вьшолнены с различным числом полюсов - 2р1 и 2р2, и расположены на общем кольцевом магнитопроводе по типу магнитопровода электрических машин переменного тока, введены многофазный выпр митель и многофазный полупроводниковый инвертор, выполненные по многофазным многоблочным мостовым схемам, а кольцевой магнитопровод трансформатора дополнительно снабжен двум  многофазными обмотками, вьиопненными с различным числом полюсов, причем концы одной многофазной обмотки с числом полюсов 2р1 подключены к входу многофазного выпр мител , а концы второй многофазной обмотки с числом полюсов 2р2 подключены к выходу многофазного полупроводникового инвертора, соединенного своим входом посто нного тока с выходом многофазного вьтр мител . Реализаци  в- таком преобразоватег ле идеи магнитного совмещени  трансформаторов входной и выходной частот за счет использовани  свойств врап ющихс  магнитных полей позвол ет вьшолнить входную и выходную трехфазные разнополюсные обмотки, а также многофазные разнополюсные , обмотки в пазах одного общего магнитопровода с подключением многофазных обмоток к многофазному выпр мителю и многофазному инвертору. Такой двухчастотный трансформатор с вращающимс  магнитным полем обладает минимальными весом и габаритом, благодар  пониженному расходу активных и конструкционных материалов уменьшаетс  установленна  мощность трансформаторного оборудовани . Использование двухчастотного трансформатора в совокупности с многофазным выпр мителем и подключенным к нему многофазным инвертором с соответствующими многофазными вентильными обмотками позвол ет при высоком качестве потребл емого преобразователем тока и выходного напр жени  расширите диапазон регулировани  выходной частоты преобразовател  при нагрузке различного характера по отношению к частоте питающей сети, достичь плавности регулировани  частоты, а также одновременно питать потребителей посто нным током. Такое построение преобразовател  частоты при многократном преобразовании обеспечивает более высокий КПД и меньшую установленную мощность в сравнении с известным устройством , а также высокое качество потребл емого преобразователем тока и выходного напр жени . На фиг. 1 представлена принципиальна  схема предлагаемого прео разовател  частоты на примере выполнени  выпр мител  и полупроводникового инвертора по эквивалентной п-фазной и га-фазной соответственно мостовой схеме; на фиг. 2 - схема пространственного расположени  обмоток трансформатора дл  этого случа . А, В, С фазы входной обмотки; а, Ь, с - фазы выходной обмотки; Ui,, f - напр жени и частота питающей сети переменного тока; Uji, fj - напр жение и частота выходного напр жени  преобразовател ; п - число блоков многофазного выпр мител ; m - число блоков многофазного инвертора; , , Cfl-Cy, - фазы многофазной обмотки с числом полюсов 2р1; ®1 т - фазы многофазной обмотки с числом:. полюсов 2р2. Многофазный трансформатор 1 с вра щающимс  магнитным полем выполнен на одном общем кольцевом шихтованном магнитопроводе 2, в одних и тех же пазах которого размещены следующие обмотки, выполненные по типу обмоток машин переменного тока: входна  трех фазна  обмотка 3 с числом полюсов 2р1, выходна  трехфазна  обмотка 4 с числом полюсов 2р2у многофазна  обмотка 5 с числом полюсов 2р1 и многофазна  обмотка 6с числом полюсов р2. Многофазные обмотки 5 и 6 разделены на симметричные трехфазные группы, соединенные кажда  звездой. Входна  обмотка 3 соединена в звезду Вывода ее фаз А, В, С  вл ютс  входо преобразовател  и подключены к трехфазной первичной сети переменного то ка с частотой f и напр жением U. Многофазный выпр митель 7 выполнен на основе трехфазной мостовой схемы с параллельным соединением п вьтр ми тельных блоков и подключен своими входными выводами переменного тока к концам фаз , , ° гофазной обмотки 5. Выход многофазного выпр мител  7 соединен с входными выводами посто нного тока многофазного полупроводникового инвертора 8, который также выполнен на основе трехфазной мостовой схемы с параллельным соединением m инверторных блоков. Выходные вьшоды переменного тока многофазного инверто- ра 8 подключены к концам фаз , b,-b, . многофазной обмотки 6. Выводы фаз выходной обмотки 4 соединенной в звезду,  вл ютс  выходом преобразовател , с них снимаетс  трехфазное напр жение Uo с частотой f- . - .л. . Входна  трехфазна  обмотка 3 трансформатора и многофазна  обмотка 5, как и выходна  трехфазна  обмотка 4 и многофазна  обмотка 6, индуктивно св заны друг с другом. Между обмотКами 3 и 5 с числом полюсов 2р1 и обмотками 4 и 6 с числом полюсов 2р2 взаимна  индуктивна  св зь отсутствует . Преобразователь работает следующим образом. При подключении входной обмотки 3 трансформатора к трехфазной первичной сети переменного тока с частотой f в кольцевом магнитопроводе 2 трансфор-, матора образуетс  вращающеес  2р 1-полюсное магнитное поле Ф. Поскольку фазы обмотоки 5 имеют индуктивную св зь с полем ф , на выводах переменного тока вьтр мител  7 действует многофазна  система ЭДС. Трехфазные группы обмотки 5 расположены с пространственным электрическим сдвигом на угол 1(/Зг друг относительно друга (фиг. 2). На выходе многофазного выпр мител  7 формируетс  посто нное напр жение Uc( с малым коэффициентом пульсаций .и частотой пульсаций ,, которое поступает на входные выводы многофазного инвертора 8. Вентильные мосты инвертора коммутируютс  с временным сдвигом л/Зт и формируют в фазах обмотки 6 многофазную систему напр жений с частотой fj. Результирующее вращающеес  2р2-полюсное магнитное поле ф системы токов этой обмотки наводит в индуктивно св занной с этим полем выходной обмотке 4 трехфазную систему многоступенчатых ЭДС с низким процентным содержанием высших гармоник. Таким образом, обмотки 3 и 6 создают в общем кольцевом магнитопроводе трансформатора 1 два одновременно действукицих разнополюсных магнитных пол . Совместное действие в общем магнитопроводе разнополюсных полей Ф2 налагает определенные услови  на выбор электромагнитных нагрузок трансформатора t. Магнитопровод трансформатора долен быть ненасьш1енный, что  вл етс  дним из условий синусоидального аспределени  магнитных полей Ф и Ф по СВОЮ полюсным делени м и одноременно исключает проникновение ходной частоты на выход преобразо4тел , и наоборот, а также обеспечиает высокое качество потребл емого реобразователем тока и выходного апр жени . Дл  этой же цели примен тс  многофазное построение выпр миел  и инвертора преобразовател . 711 поскольку при такой структуре в тран сформаторе образуютс  круговые магни ные пол  с малыми пульсаци ми и высокой степенью равномерности вращени . Вращение магнитных полей Ф и ф- может быть как согласным, так и встречным. Обмотки трансформатора необходимо выполн ть, устран   взаимные индуктивные св зи между разнополюсными обмотками, расположенными в общих пазах, т.е. необходимо устранить вли  ние пол  ф 2р1-полюсной обмотки 3 на 2р2-полюсные обмотки 4 и 6 и пол  022р2-пЬлюсной обмотки 6 ria 2р1 полюсные обмотки 3 и 5. Это достигаетс  выбором соответствующих шагов обмотки , соответствующим распределением катушечных групп в фазах, ограничением числа параллельных ветвей обMO .TOIf. Так, например, при соотношении чи сел пар полюсов обмоток р2/Р1 «3 обмо ка 3 и обмотка 4 трансформатора взаи индуктивно друг с другом не св заны, если обмотка 3 с числом полюсов 2р1 выполнена двухслойной с шагом у 2/3t,, где полюсное деление по л  ,ф, в одну или две соединена а обмотка 4 с параллельные ветви. .JXJlCtflJpriOiC JDC 1 01 у О. 1 XVО, -Г Ч. числом полюсов 2р2 выполнена однослой ной или двухслойной с диаметральным шагом у % Д полюсное делен пол  Ф2 , и соединена в одну параллельную ветвь а 1К При соотношении чисел пар полюсов обмоток 2р/Р1 2 об мотка 3 и обмотка 4 трансформатора взаимоиндуктивно друг с другом не св заны, если обкотка 3 с числом полюсов 2р1 выполнена однослойной или двух слойной с диаметральным шагом у Г а обмотка 4 с числом полюсов 2р2 выполнена с шагом у. f- и соединена в одну параллельную ветвь. В этих случа х вредные действи  электродействующих сил, наводимых в катушечных группах обмотки 3 полем ф и в катушечных группах обмотки 4 полем ,Ф, свод тс  к нулю, и эти обмот ки можно соединить как звездой, так и треугольником. Такие услови  устра- нени  взаимоиндуктивных св зей межд двум  разнополюсными обмотками,, расположенными в общем магнйтопроводе, справедливы и дл  многофазных обмоток 5 и 6. Основным условием выбора числа пазов магнитопровода  вл етс  возможность выполнени  многофазных обмоток с требуемым числом полюсов. Благодар  тому, что магнитные цепи трансформатора ненасыщены и в них практически Отсутствуют воздушные зазоры, намагничивающий ток трансформатора незначителен (3-8%) и преоб- . разователь имеет высокий коэффициент мощности на входных зажимах (), следовательно, в нем нет необходимости в установке .компенсирующих конденсаторов . Реактивный ток нагрузки преобразовател  замыкаетс  через группы обратных диодов инвертора и цепь посто нного тока без вли ни  на величину коэффициента мощности на входе. Внешн   характеристика этого преобразовател   вл етс  более пологой, чем у известного. При больших кратност х преоЬразовани  частоты хорошо используетс  уста- новленна  мощность трансформатора преобразовател . Амплитуда основной рабочей гармоники вращающегос  магнитного пол  Ф. не зависит от соотношени  частот f и f2. По этой же причине мощность и КПД преобразовател  практически не завис т от выходной частоты. Диапазрн выходной частоты преобразовател , который задаетс  автономным многофазным инвертором 8, ограничиваетс  только свойствами материала магнитопровода трансформатора 1. Нормальное функционирование устройства при нагрузках различного характера обеспечиваетс  многофазной структурой преобразовани , позво.п ющей получить близкое к синусоидальному распределение магнитных полей 4, и Ф2 по полюсным делени м Т и fj . Преобразователь сохран ет свою работоспособность при колебани х напр жени  питакицей сети. Инвертор и выпр митель преобразовател  могут быть выполнены и по другим схемам, обеспечиваюВ(им высокое качество потребл емого тока и выходного напр жени , например порезонансным или каскадным, однако это ограничит диапазон возможных нагрузок , с которыми работает данный преобразователь . Таким образом, по сравненгао с известным предложенный преобразователь частоты имеет более высокий cos на входе, что обеспечиваетс  отсутствигем насыщенных магнитных полей в трансформаторе, низким содерж1анием высших гармоник в разнополюсных врасцающихс  пол х и отводом реактивного тока через обратные диоды инвертора.

91

При выходной мощности 4 кВт преобра

зователь имеет на входных зажимах 0,95 (у известного cos f 0,2-0,4, что требует установки конденсаторов емкостью 200 мкФ).

Предложенное устройство преобразует промышленную частоту 50 Гц в повышенную частоту в диапазоне 40017794JO

1500 Гц при КПД не менее 78% и массе преобразовател . 115 кг и допускает регулирование частоты и величины вы- ходного напр жени , В известном уст5 ройстве возможно получение только jудвоенной (100 Гц) или утроенной (150 Гц) частоты при КПД 62-75%, массе 185 кг и выходной мощности преобразовател  4,5-6,2 кВт.

Zpl SA

грг Ьт.

Claims (1)

1. СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащий трансформатор •с вращающимся магнитным полем, входная и выходная трёхфазные обмотки которого выполнены с различным числом полюсов - 2р1 и 2р2 и расположены на общем кольцевом магнитопроводе по типу магнитопровода электрических машин переменного тока,· о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью улучшения энергетических характеристик и расширения функциональных возможностей, в него введены многофазный выпрямитель и многофазный полупроводниковый инвертор, выполненные по многофазным многоблочным мостовым схемам, а кольцевой магнитопровод трансформатора дополнительно снабжен двумя многофазными обмотками, выполненными с различным числом полюсов, причем концы одной многофазной обмотки с числом полюсов 2р1 подключены к входу многофазного выпрямителя, а концы второй многофазной обмотки с числом полюсов 2р2 подключены к выходу многофазного полупроводникового инвертора, соединенного своим входом постоянного тока с выходом многофазного выпрямителя.·'

   1 11