SU1179496A1 - Непосредственный преобразователь частоты - Google Patents

Description

Изобретение относится к преобра- ты узла искусственной коммутации

зовательной технике и может быть использовано для плавного регулирования частоты вращения асинхронных электроприводов в различных отрас- $ лях народного хозяйства.

Известны непосредственные преобразователи частоты, содержащие трансформаторы и трехфазные модуляторы, выполненные на трехфазных диод-,о ных мостах, шунтированных тиристорами н - м.

Преимущество известных устройств [β] и [43 перед известными устройствами м и {23 состоит в лучшей форме кривой выходного напряжения, а их недостаток - в прерывистом характере тока через отдельные обмотки многообмоточного трансформатора и низкой надежности.

Наиболее близким к предлагаемому является непосредственный преобразователь частоты для управления частотой вращения асинхронного двигателя, содержащий трехфазные трансформаторы и трехфазные модуляторы, выполненные на трехфазных диодных мостах, шунтированных тиристорами. Этот преобразо- _β ватель соединяет в себе достаточно хорошую форму кривой выходного нап- 3® ряжения с непрерывностью тока в нагруженных модуляторами обмотках трансформаторов, что обеспечивает ограничение коммутационных перенапряжений на управляемых полупроводниковых 35 вентилях м.

Вместе с тем для такого преобразователя характерно повышение в 4з* раз квазиустановившегося входного напряжения на диодных мостах с за- ⁴® крытыми шунтирующими тиристорами по сравнению с напряжением на соответствующей фазе нагрузки.

Логика работы преобразователя - 45 согласно прототипу требует, чтобы все его трансформаторы имели числа витков первичных обмоток в 43 раз ботьшие чисел витков их вторичных обмоток. Это обусловлено как необхо- 50 димостью иметь благоприятный спектральный состав выходного напряжения регулируемой частоты, так и одинаковое напряжение на выходе каждого из диодных мостов при закрытом состоя- 55 нии соответствующего шунтирующего тиристора; последнее условие связано с созданием нормальных условий рабоуправляемых вентилей.

Ввиду неизменности коэффициента трансформации трансформаторов прототипа амплитуда основной составляющей его выходного напряжения оказывается жестко связанной с амплитудой трехфазного напряжения источника, к которому присоединены первичные обмотки трансформаторов прототипа.

Основная составляющая выходного (напряжения преобразователя равна

•χιι

: где со,β - угловые частоты питающей ' сети и циклов коммутации;

Р - целое число или ноль; и_№- амплитуда трехфазного

напряжения сети, к которой непосредственно присоединены трансформаторы прототипа, что свидетельствует примерно о двукратном уменьшении амплитуды этого напряжения и приводит к существенному ограничению сверху диапазона изменения частоты вращения управляемого серийного асинхронного двигателя, поскольку при наибольшей частоте вращения двигателя отношение амплитуды основной составляющей выходного напряжения преобразователя к ее частоте должно быть достаточно большим для поддержания на необходимом уровне основного магнитного потока двигателя.

Один из возможных путей преодоления этого недостатка состоит в использовании вместо серийного асинхронного двигателя, рассчитанного на номинальное напряжение 380/220 В, специального двигателя на пониженное напряжение статорной обмотки. Однако это сужает возможные области применения такого привода.

Требуемое увеличение выходного напряжения преобразователя согласно [У] можно достичь, например, введением дополнительной ступени преобразования его входного напряжения с помощью еще одного трехфазного трансформатора сетевой частоты. Такое увеличение выходного напряжения преобразователя согласно прототипу приводит к пропорциональному возрастанию обратного напряжения на тиристорах и других полупроводниковых элементах этого устройства из-за повышенного в 45 раз мгновенного значе3

1 1

ния установившегося напряжения на входе соответствующих диодных мостов по сравнению с мгновенными значениями выходного напряжения прототипа .

В соответствии с временными диаграммами выходного напряжения прототипа оно формируется из отрезков синусоиды определенной амплитуды, каждый из которых получается сложе- 10 нием мгновенных значений напряжений на трех вторичных обмотках различных трансформаторов, амплитуда одного из которых совпадает с амплитудой отрезков синусоиды выходного напря- 15 жения, другого - равна нулю, а третьего в одном случае совпадает с указанной амплитудой, а в двух других случаях - превышает ее в 1,63 раза. Такое соотношение между ампли- ₂о тудами слагаемых отрезков синусоид и их суммы обусловлено большими углами сдвига по фазе между складываемыми напряжениями - 120 и 150 град.

, [д] . Учитывая последовательное сое- ₂5 динение вторичных обмоток трансформаторов прототипа, следует отметить совпадение величин токов в них.

Типовая мощность отдельных трансформаторов прототипа, определяемая полусуммой произведений действующих значений напряжений и токов в их обмотках, превышает полную мощность нагрузки в 1,73 раза для первого трансформатора, в 1,73 раза для второго трансформатора, совпадает с полной .« ^5 мощностью нагрузки для третьего ‘трансформатора. Таким образом, суммарная типовая мощность трансформаторов прототипа превышает полную мощность нагрузки в 4,46 раз. ⁴⁰

Двукратное уменьшение амплитуды выходного напряжения прототипа по сравнению с напряжением на первичных обмотках его трансформаторов может 45 быть компенсировано введением дополнительной ступени преобразования с помощью трансформатора. Введение этого трансформатора приводит к удвоению как установленной мощности 50 трансформаторов, так и полной мощности нагрузки. В этих условиях отношение установленной мощности трансформаторов прототипа и его Полной мощности сохраняется прежним, равным 55 около 4,5.

Вместе с тем происходит дальнейшее двукратное увеличение обратных

79496 4

напряжений на полупроводниковых силовых вентилях прототипа.

В этих условиях целесообразна разработка такого устройства, кото₅ рое объединяло бы положительные

свойства аналога [з] и прототипа [5], сводя к минимуму их недостатки. В частности, требуется добиться относительного уменьшения установленной мощности трансформаторов по сравнению с птототипом, т.е. улучшения массогабаритных показателей и расширить диапазон изменения частоты вращения управляемого асинхронного двигателя путем относительного увеличения выходного напряжения преобразователя .

Цель изобретения - расширение области использования преобразователя путем обеспечения возможности согласования уровней питающего напряжения и нагрузки при одновременном улучшении его массогабаритных показателей.

Поставленная цель достигается тем, что непосредственный преобразова^ель частоты, содержащий три дзухобмоточных трехфазных трансформатора и три полностью управляемых трехфазных ключа, причем одни одноименные концы первой обмотки первого двухобмоточного трехфазного трансформатора подключены к входным выводам первого из этих ключей, а одни концы его второй обмотки образуют выходные выводы преобразователя, снабжен четырехобмоточным трехфазным трансформатором, одни одноименные концы каждой из трех вторичных обмоток которого подключены к входным выводам одного из трех упомянутых ключей, другие концы его первой вторичной обмотки соединены с одноименными концами второй и третьей вторичных обмоток по схеме "Зигзаг", одноименные концы первичных обмоток второго и третьего упомянутых двухобмоточных трансформаторов также подключены соответственно к входным выводам второго и третьего указанных ключей, первичные обмотки второго и третьего двухобмоточных трансформаторов и упомянутая вторая обмотка первого двухобмоточного трансформатора соединены между собой последовательно разноименными концами по схеме "Зигзаг", а одноименные концы вторичной обмотки третьего двухоб5

1179496

6

моточного трансформатора и третьей вторичной обмотки четырехобмоточного трансформатора соединены между· собой пофазно.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема преобразователя; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений на отдельных элементах устройства вместе с эпюрами соответствующих переключающих функций.

Предлагаемое устройство содержит многообмоточный трехфазный трансформатор 1, первичная обмотка 2 которого присоединена к питающей сети, его отдельные фазы вторичных обмоток 3-5 сгруппированы в три звезды так, что лучи различных звезд присоединены как к трехфазным полностью управляемым ключам 6-8, так и ,к первичным обмоткам 9-11 дополнительных двухобмоточных многофазных трансформаторов 12-14, различные фазы вторичных обмоток 15-17 которых соединены пофазно—последовательно между нулевыми точками звезд вторичных обмоток 3-5 главного трансформатора 1 и входными зажимами трехфазной нагрузки 18 - статорной обмоткой трехфазного асинхронного двигателя.

Трехфазные ключи выполнены в виде диодных мостов, анодные и катодные группы которых зашунтированы цепочками из дросселей 19-21 и тиристоров 22-24. Катоды тиристоров соединены конденсаторами 25-27, а их аноды - конденсаторами 28-30.

При замыкании полностью управляв-* мого трехфазного полупроводникового ключа 6 образуется нулевая точка звезды одного из сочетаний фаз вторичных обмоток 3-5 многообмоточного трансформатора 1, вследствие чего появляется система трехфазного напряжения в местах соединения общих точек звезд вторичных обмоток 3-5 многообмоточного трансформатора 1, в результате появляется система трехфазного напряжения в местах соединения общих точек звезд вторичных обмоток 3-5 многообмоточного трансформатора 1 с цепочками из различных фаз вторичных обмоток- 15-17 дополнительных ,двухобмоточных трансформаторов 12—14. Появляется система напряжений на зажимах_дразомкнутых трехфазных ключей 7 и 8 переменного тока и на параллельно соединенных с ними-первичных обмотках 10 и 11 дополнительных двухобмоточных трансформаторах 13 и^14, вследствие чего на их вторичных обмотках 16 и 17 также появляются напряжения. Закорачивается первичная трехфазная обмотка 9 дополнительного.двухобмоточного трансформатора 12, который в этом случае переходит в режим короткого замыкания, вследствие чего напряжения на фазах его вторичной обмотки 15 будут также равны нулю. Результирующее напряжение на каждой цепочке из последовательно соединенных разных фаз вторичных обмоток 15-17 дополнительных двухобмоточных трансформаторов 12-14 совпадает по фазе с напряжением последовательно соединенной фазы вторичной обмотки главного трансформатора 1, образующего один из лучей звезды с нулевой точкой в месте закорачивания трехфазным ключом- 6.

Следовательно, напряжение на зажимах каждой фазы нагрузки 18 предлагаемого устройства выражается суммой напряжения своего луча звезды вторичной обмотки многообмоточного трансформатора 1 и совпадающего по фазе с этим лучом напряжения цепочки из последовательно соединенных различных фаз вторичных обмоток 15-17 дополнительных двухобмоточных многофазных трансформаторах.

В соответствии с алгоритмом управления далее происходит размыкание трехфазного ключа 6 и последующее замыкание трехфазного ключа 7, что приводит к образованию нулевой точки звезды другого сочетания фаз вторичных обмоток 3-5 многообмоточного трансформатора 1, вследствие чего появится сдвинутая на 120° по сравнению с предыдущим система трехфазного напряжения в местах соединения общих точек звезд вторичных |обмоток 3-5 многообмоточного трансформатора 1 с цепочками из различны» фаз вторичных обмоток 15-17 трансформаторов 12-14; к появлению сдвинутой на 120° по сравнению с предыдущим системы напряжений на зажимах разомкнутых ключей 6 и 8 переменного тока и на параллельно соединенных с ними первичных обмотках 9 и 11 дополнительных двухобмоточных трансформа7 1179496 8

торах 12 и 14, вследствие чего на их вторичных обмотках 15 и 17 также по-¹ явятся напряжения; к закорачиванию первичной обмотки 10 дополнительного трехфазного трансформатора 13, вслед- 5 ствие чего напряжения на фазах его вторичной обмотки 16 будут также равны нулю.

В этом случае результирующее напряжение на каждой цепочке из последова- ю тельно соединенных разных фаз вторичных обмоток 15-17 двухобмоточных трансформаторов также совпадает по фазе с напряжением последовательно соединенной фазы вторичной обмотки 15 главного трансформатора 1 - соответствующего луча звезды с нулевой точкой в месте закорачивания трехфазным ключом 7, начальная фаза которого изменилась на 120°. Тогда результи- 20 рукицее напряжение на каждой фазе нагрузки также выражается арифметической суммой отмеченных совпадающих по фазе напряжений.

Далее следует размыкание ключа 7 25

и последующее замыкание трехфазного полностью управляемого ключа 8 переменного тока. Это приводит к анало- . гичным электромагнитным процессам, отличающимся от предыдущего дальней- βθ шим изменением на 120° начальной фазы напряжения на нагрузке и на отмеченных элементах предлагаемого устройства.

Следующий коммутационный интервал начинается размыканием трехфазного * ключа 8 и замыканием ключа 6, и процессы повторяются.

На фиг. 2 приведены временные диаграммы напряжений на отдельных элементах схемы преобразователя, а также эпюры коммутационных функций для трехфазных ключей переменного тока ' этой схемы.

В частности на фиг. 2а приведена 45 временная диаграмма напряжений на одной из фаз вторичной обмотки 15 трансформатора 12 как результат циклического закорачивания первичной обмотки 9 этого трансформатора трех- 50 фазным ключом с диодным мостом 6; на фиг. 26 - кривая несинусоидального напряжения на той фазе вторичной обмотки 16 трансформатора 13, которая соединена последовательно с 55 выделенной фазой обмотки 15,. как результат циклического закорачивания первичной обмотки 10 трансформатора

13 трехфазным ключом с диодным мостом 7; на фиг. 2в - кривая несинусоидального напряжения на третьей фазе вторичной обмотки 17 трансформатора 14, соединенной последовательно с указанными фазами обмоток 15 и 16, как результат циклического закорачивания первичной обмотки 11 трансформатора 14 трехфазным ключом с диодным мостом 8. Интервалам закороченного состояния первичных обмоток 9-11 указанных дополнительных трансформаторов 12-14 с помощью ключей с трехфазными диодными мостами 6-8 отвечают эпюры коммутационных функций κθ , к_?, к₈ (фиг. 2<ре,*). На фиг. 2^. приведена кривая выходного напряжения на одной из фаз преобразователя как результат поочередного подключения одной из общих точек вторичных обмоток 3-5 главного трансформатора 1 к одной из этих обмоток вследствие шунтирования тиристорами 22-24 диодных мостов 6-8 в интервалы времени, соответствующие ненулевым значениям коммутационных функций κθ, κ_τ, к_й (фиг. 2<|,е,*); эта кривая и способ ее формирования соответствуют прототипу. Поскольку кривая на фиг. 2 2 подобна кривой на фиг. 2^, то кривая выходного напряжения на зажимах 18 для той же фазы нагрузки, выражаясь суммой кривых на фиг. 2?,^, будет подобна каждой из них. На фиг. 2 эти кривые построены для случая, когда отношение частоты циклов коммутации к частоте питающей сети составляет 4/3, а основная частота выходного напряжения составляет третью часть питающей сети.

Рациональным выбором коэффициента трансформации дополнительных трансформаторов 12-14 можно добиться требуемого увеличения выходного напряжения предлагаемого преобразователя частоты пр сравнению с прототипом. В предлагаемом устройстве может быть достигнуто существенное ·· увеличение выходного напряжения плавно регулируемой частоты при сохранении практически неизменным мгновенных значений квазиустановившихся напряжений на обесточиваемых обмотках 3-5 многообмоточного трансфор- . матора 1 и на входе присоединенных к ним диодных мостов 6-8. Поэтому можно говорить об относительном

10

9 1179

понижении квазиустановившихся напряжений на входе этих диодных мостов и на шунтирующих эти мосты тиристорах. Подключение первичных'обмоток 9-11 двухобмоточных трансформаторов 12-14 к входам диодных мостов 6-8 и отвод через эти трансформаторы части энергии на той же основной частоте позволяет также обеспечить непрерывность тока через все обмот- ί ки трансформаторов устройства и таким образом многократно уменьшить коммутационные перенапряжения на всех полупроводниковых элементах устройства; уменьшить также квазиустано- 15· вившиеся мгновенные значения напряжений на шунтирующих эти мосты тиристорах при их закрытом состоянии.

Эта особенность предлагаемого устройства обеспечивает ему большую 20 надежность по сравнению как с известным устройством [з] и с прото-, типом [5]. Если, например, выбрать равным единице коэффициент трансформации двухобмоточных трансформато— 25 ров 12-14, выходное напряжение предлагаемого устройства возрастает по сравнению сизвестным устройством [3] в 1 + 24З раз, т.е. примерно в пять раз. При использовании предла- 33 гаемого устройства для частотного управления асинхронным двигателем такая его особенность позволяет существенно расширить вверх- диапазон регулирования частоты вращения асинхронного двигателя при одновременном существенном относительном повышении надежности благодаря относительному уменьшению обратных напряжений на полупроводниковых вентилях.

По мере приближения к верхнему значению частотного диапазона преобразователя частоты имеет место уменьшение соответствующего основного магнитного потока в управляемом асин- 45 хронном двигателе и обусловленного им электромагнитного вращающего момента, а при наибольшей частоте вращения управляемого асинхронного двигателя отношение амплитуды основ-- 50 ной составляющей выходного напряжения преобразователя к ее частоте должно быть достаточно большим для поддержания на необходимом уровне основного магнитного потока двига- 55 теля.

Предлагаемое устройство позволяет существенно увеличить величину выходного напряжения по сравнению с прототипом при сохранении той же его формы, т.е. с помощью предлагаемого устройства можно существенно расши5 пить вверх диапазон регулирования частоты вращения питаемого преобразователем асинхронного двигателя.

При оценке массогабаритных по.ка0 зателей предлагаемого устройства еле· .дует учесть, что выходное напряжение этого преобразователя выражается суммой как отрезков синусоиды от поочередно подключаемых трех вторичных обмоток многообмоточного трансформатора, так и отрезков синусоиды на выходе последовательного соединения вторичных обмоток трех дополнительных двухобмоточных транс-_: форматоров. Поэтому полная мощность на выходе преобразователя выражается суммой полных мощностей, выделяемых как непосредственно на одной из поочередно подключаемых вторичных обмоток многообмоточного трансформатора, так и на последовательном соединении вторичных обмоток трех двухобмоточных трансформаторов. В целях упрощения расчетов условно полагаем, что коэффициент трансформации двухобмоточных трансформаторов выбран таким, чтобы были равны напряжения и соответствующие им полные мощности, выделяемые как непосредственно на коммутируемой вторичной обмотке многообмоточного трансформатора, так и на. последовательном соединении вторичных обмоток двухобмоточных трансформаторов. В этом случае типовая мощность трех двухобмоточных трансформаторов в три раза превышает полную мощность, выделяемую на последовательном соединении вторичных обмоток этих трансформаторов, а типовая мощность многообмоточного трансформатора примерно в три раза превышает полную мощность на выходе одной из трех поочередно коммутируемых вторичных обмоток этого трансформатора; тогда суммарная установленная мощность трансформатора предлагаемого устройства будет примерно в три раза превышать суммарную полную мощность, отдаваемую нагрузке.

Сравнение полученного результата

с результатом проведенного расчета

типовой мощности прототипа при аналогичном соотношении между суммар1 I

1179496 12

ной полной мощностью на выходе устройства с дополнительным трансформа-, тором и такой мощностью без дополнительного трансформатора прототипа

свидетельствует о существенном улучшении массогабаритных показателей предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.

фиг.1

1179496

Claims (1)

1. НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащий три двухобмоточных трехфазных трансформатора и три полностью управляемых трехфазных ключа,причем одни одноименные концы первой обмотки первого двухобмоточного трехфазного транс· форматора подключены к входным выводам первого из этих ключей, а одни концы его второй обмотки образуют выходные выводы преобразователя, отличающийся тем, что,

   с целью расширения области использования путем обеспечения возможности согласования уровней питающего напряжения и нагрузки при одновременном улучшении массогабаритных показателей, он снабжен четырехобмоточ— ным трехфазным трансформатором, одни одноименные концы каждой из трех вторичных обмоток которого подключены к входным выводам одного из трех упомянутых ключей, другие концы его первой вторичной обмотки соединены с одноименными концами второй и третьей вторичных обмоток по схеме "Зигзаг", одноименные концы ©

   первичных обмоток второго и третьего упомянутых двухобмоточных трансформаторов также подключены соответственно к входным выводам второго и третьего указанных ключей, первичные обмотки второго и третьего двухобмоточных трансформаторов и упомянутая вторая обмотка первого двухобмоточного трансформатора соединены между собой последовательно разноименными концами по схеме "Зигзаг", а одноименные концы вторичной обмотки третьего двухобмоточного трансформатора и третьей вторичной обмотки четырехобмоточного трансформатора соединены между собой пофазно

   81) 1179496

   1 1179496 2