SU1522367A1

SU1522367A1 - @ -Фазный преобразователь частоты с квазисинусоидальным выходным напр жением

Info

Publication number: SU1522367A1
Application number: SU874200701A
Authority: SU
Inventors: Павел Максович Фридман; Геннадий Сергеевич Мыцык
Original assignee: Куйбышевский политехнический институт им.В.В.Куйбышева; Московский энергетический институт
Priority date: 1987-02-25
Filing date: 1987-02-25
Publication date: 1989-11-15

Abstract

Изобретение относитс к преобразовательной технике и может найти применение при построении источников вторичного электропитани и частотно-управл емых электроприводов. Цель изобретени - уменьшение массы и габаритов преобразовател и расширение его функциональных возможностей за счет обеспечени регулировани значени выходного напр жени . К вторичным обмоткам трехфазного входного трансформатора 1 подключены силовые входы трехфазных модул торов 4-6. Управл ющие входы трехфазных модул торов 4-6 подключены к выходу распределител импульсов 3 через фазосдвигающие блоки 10-12. Напр жение, подаваемое на силовые входы трехфазных модул торов 4-6, имеет частоту F 1, а на их управл ющие входы - частоту F 2. Напр жение разностной частоты F 1-F 2 поступает через трехфазные фильтры-трансформаторы 7-9 на выходные выводы преобразовател . 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

Description

ел to

tsd

со а

Изобретение относитс к преобразовательной технике и может найти применение при построении источников вторичного электропитани , предназначенных , например, дл питани частотно-управл емых электроприводов, особенно в тех случа х, в которых требуетс повышенное качество выходного напр жени и тока нагрузки, согласо- йание уровней напр жений питани и потребител , регулирование в широких пределах или стабилизаци выходного многофазного напр жени , изменение выходной частоты от значений, близких к нулевым, до заданных, а также бесконтактное автоматическое изменение пор дка чередовани фаз дл реверса двигателей при ограничени х на массо- габаритные показатели устройства, реализующего эти функции.

Цель изобретени - уменьшение массы и габаритов преобразовател и расширение его функциональных возможностей за счет обеспечени регулировани значени выходного напр жени .

Поставленна цель достигаетс тем, что преобразователь, содержащий т-фаз ный входной трансформатор с первичной т-фазной обмоткой ист группами вто- ричных т-фазных обмоток с напр жени ми частоты F .

На фиг. 1 представлена блок-схема трехфазного преобразовател частоты (т 3); на фиг. 2 - принципиальна схема СИ.ПОВОЙ части трехфазнЬго преобразовател ; на фиг. 3 - то же, трех- цепевого переключател переменного тока; на фиг, 4 - схема фазосдвигаю

щего блока; на фиг. 5 - диаграммы, по сн ющие процесс формировани выходного напр жени ; на фиг. 6 - диаг- раьгмы, по сн ющие работу фильтра-трансформатора; на фиг. 7 - диаграммы напр жений преобразовател с регули- руемым выходным напр жением; на фиг. 8, 9 - диаграммы напр жений преобразовател посто нного напр жени в квазисинусоидальное; на фиг. 10, 1I - диаграммы, по сн ющие формирование управл ющих сигналов переключателей .

Рассмотрим один из примеров конкретного вьшолнени преобразовател частоты, когда m 3.

Преобразователь содержит три груп- пы трехфазных вторичных обмоток, рас- ..положе1шых на магнитопроводе трехфазного входного трансформатора 1(фиг. I

0

, Q

гО

5

35

40

дс

ч

с входными напр жени м частоты F , задающий генератор 2 с выходной частотой 6 F 2, распределитель 3 импульсов с трехфазным выходом на частота F, йыполненный по кольцевой пересчетной схеме с трем парафазными выходами и синхронизируемый генератором 2, трехфазные модул торы А - 6, подключенные силовыми входами к вторичным обмоткам трансформатора 1, а управл ющими входами - к выходам распределител 3, и выходные высокочастотшзШ трехфазные суммирующие фильтры-трансформаторы 7-9 дл практической реализации параллельного соединени синфазных выходов модул торов, выполн ющие фактически функцию выходных фильтров. Выход фильтров-трансформаторов вл ютс выходом устройства.

Дл реализации преобразовател частоты с регулируемым выходным напр жением в него введены фазосдвигаюпсие блоки 10 - 12 (фиг. 1) между выходами распределител импульсов и управл ющими входами модул торов. Фазосдвигающий блок (10-12) содержит пару фазосдвига- ющих устройств 13 и 14 (фиг. 4), реализующих фазовые сдвиги сигнала типа меандр Р: соответственно на регулируемые углы (+oi,) и (-0,). Полученные сигналы Pi(. P,(-oi.) суммируют последовательно согласно друг с другом и (встречно с сигналом Р; фазосдвигаю- , щего блока, образу таким образом требуемьй выходной сигнал (в коде +1, -1) П; согласно выражению

п; p;(..oii p -c-oii + Р;

- Р

Ч-f-ci)

+ Р

(-oil

- Р:

При построении узла 10-14 на стандартных norH4ecK ix элементах сигналы

PI Pi(4ci1 Plf-wL) выражаютс в коде О и 1. В этом случае логическое выражение дл П- приобретает нормированный вид (в коде Oji)

j

Pi(+c.yPi(-ti) Vj Pj(-bi)

+ P

5(i)J.

Силова часть рассматриваемого при- примера выполнени преобразовател включает в себ три группы трехфазных -вторичных обмоток (фиг. 2) входного трансформатора 1, трехфазные модул торы 4, 5, 6, содержащие по два пол- ностью управл емых переключател переменного тока (15-20) и выходные высокочастотные трехфазные суммирующие фильтры-трансформаторы 7, 8, 9 (фиг. 2), представл ющие собой три комплекта трехфазных обмоток, соединенных в звезду и расположенных на стержн х трех замкнутых трехстержне- вых магнитопроводов, причем обмотки, расположенные на одном магнитопрово- де, например 7, включены между одним из выходов преобразовател , а именно: выходной фазой А (i 1) и отводами от средних точек вторичных обмоток входного трансформатора 1, принадлежащих к фазе а (первой фазе) первой группы (J 1), фазе fe (второй) второй группы (J 2) и фазе с (третьей) третьей группы (j 3), а обмотки фильтра-трансформатора, например 8, включены между выходной фазой В (i 2) и отводами от средних точек вто- ричнь1х обмоток трансформатора 1 , принадлежащих дл рассматриваемого случа (F, F) к Фазе С (третьей флзе) первой группы (J О, фазе а второй группы (J 2) и фазе & (2) третьей группы (j 3).

Трехцепевой переключатель содержит трехфазный диодный мост на диодах 21-28 (фиг. 3) с транзистором 29 в диагонали посто нного тока. Если преобразователь вьтолн ют без нулевой фазы на выходе, то в схеме трехцепе- вого переключател диоды 27, 28 не став т, а следовательно, нулевую фазу не формируют (на фиг. 2 в этом случае проводник, соедин ющий нулевые вьшоды переключателей, отсутствует).

Устройство работает следующим образом .

Входные синусоидальные напр жени преобразовател частоты Р. (фиг. 5 кривые 30, 31, 32), имеющие взаимный фазовый сдвиг 2 ТГ/3, подают с выхода трехфазного трансформатора 1 на силовые входы модул торов 4, 5, 6, на управл ющие входы которых подают пр моугольные двухпол рные импульсы частоты F, со взаимным фазовым сдви- гом также (фиг. 5а ,8,) с па- рафазных выходов распределител 3 импульсов , синхронизируемого задающим генератором 2. На выходах модул торов 4, 5, 6 получают напр жени с частотой первой гармоники.

F, F .I

с фазами (по первой гармонике) А,В,

1522367

0

5

С трехфазной системы. Вид всех трёх напр жений фазы А, например, показан на фиг. 5 1,q,e, кривые 33, 34, 35 (фиг. 6а,5,Ь). Выходные напр жени модул торов представл ют собой фактически результат перемножени соответствующих фазных напр жений частоты F (фиг. 5 а,г,е, кривые 30, 31, 32) с соответствующими фазными сигналами частоты F 2 (фиг. 5а,5,&) согласно схеме фиг. 1 .

Основные гармоники высокочастотных заполнений напр жений каждой фазы на выходе модул торов с частотой

F F, - F

образуют также трехфазную систему 0 (трехфазные системы образуют и многие другие высокочастотные гармоники). Напр жени одной фазы с выходов модул торов 4, 5, 6 подают на соответствующие обмотки одного из трех трех- 5 фазных фильтров-трансформаторов 7, 8 или 9 (через нагрузку преобразовател j. По первой гармонике синфазных напр жений каждый фильтр-трансформатор работает в режиме короткого замы- 0 кани (его обмотки оказьюаютс ченными фактически параллельно, что эквивалентно короткому зa ыкaнию трехфазного трансформатора) или перва гармоника без искажений попадает на выход преобразовател (правда вместе с другими синфазными гармониками). По отношению к основным гармоникам высокочастотных заполнений обмотки каждого фильтра-трансформатора включе

ны по обычной схеме звезда, а фильтры-трансформаторы , задержива на себе все высокочастотные гармоники, образующие трехфазные системы (в общем случае т-фазные), не пропускает их на выход преобразовател . На выходе преобразовател формируютс фазные напр жени улучшенного гармонического состава (вид фазы А показан на фиг. 5ж и 6ж), идентичные по форме суммарным выходным напр жени м модул торов 4, 5, 6 (по каждой фазе) и отличающиес от последних лишь уменьшенной в 3 раза амплитудой (при суммировании синфазные гармоники имеют утроенную амплитуду, а гармоники , образующие трехфазные системы , - нулевую).

К обмоткам фильтров-трансформаторов 7, 8, 9 оказьшаютс приложенными

напр жени с частотой основной гармоники FJ (на фиг. 6l ,,е показаны на , пр жени на обмотках фильтра-трансформатора 7), с частотой высокой, поэтому масса и габариты фильтров-трансформаторов будут незначительными.

Пор док чередовани фаз на вьгкоде преобразовател , показанный на фиг. I имеет место только при условии: F,: F,. При F, 7 пор док чередовани фаз мен етс на обратньш.

Устройство с введенными фазосдви гающими блоками работает аналогичным

, образом, отличие состоит лишь в том, что на управл ющие входы модул торов 4, 5, 6 подают cфopмlfpoвaнныe блока ми 10, П, 12 импульсы вида фиг. 7 а,& , Ь. Ву.одные (силовые) и выходные напр жени модул торов с фазой д на выходах модул торов 4, 5, 6 поА , напри 1ер, дл этого случа показаны на фиг, 7 Z.,i3, е. При этом на выходе преобразовател формируютс напр жени вида фиг. (фаза А) регулируемой амплитуды (первой гармоники). 25

Особенности работы силовой части рассматрив аемого примера выполнени преобразовател заключаютс в следующем .

лучают напр жени с широтно-икпульс- ной модул цией и частотой первой гармоники f с фазами А, В, С трехфазной системы. Вид всех трех напр жений фазы А, например, показан на фиг, , ,u фиг. 9 а ,S, , На выходе преобразовател после фильтров-трансформаторов 7, 8, 9 формируютс напр жени с уменьшенным значением коэффициента

Вторичные обмотки трансформатора 1 Q гармоник (вид напр жени фазы А пока35

40

с синусоидальными напр жени ми фаз А, В, С фиг, 5.-г ,е, кривые 30, 31, 32 подключены к трехцепевым переключател м переменного тока 15-20 соответственно модул торов 4, 5, 6 согласно схеме фиг. 2. На базы транзисторов переключателей 15, 17, 19 (относительно эмиттера) поступают управл ющие сигналы вида фиг. 5 а ,5,S соответственно , а на базы транзисторов переключателей 16, 18, 20 - сигналы, обратные этим, соответственно. Отводы от средних точек вторичных обмоток А, В, С, вл ющиес фактически выходами модул торов, с напр жени ми (от- носительно нулевой фазы) вида, анало- гичного фиг. 52,,е, кривые 33, 34, 35 (фиг. 6cii,S ,b) на которых показаны напр жени только фазы А, подключены к соответств тощим обмоткам фильтров-трансформаторов 7,8,9, соединенным в звезду (фиг, 2), Фильтры-трансформато- . ры задерживают на своих обмотках напр - . жени вида, аналогшшого фиг. 62,,5, на которых показаны напр жени на обмотках только фильтра-трансформатора 7, и пропускают на вьпсод преобразовател к фазам А, В, С.квазисинусои- дальнь1е напр жени вида, аналогично50

55

зан на фиг. ). Выходные линейные напр жени преобразовател будут иметь еще более высокое качество своей формы за счет отсутстви гармоник, кратных трем (в общем случае - кратных т). К обмоткам фильтров-трансформаторов 7, 8, 9 будут приложены напр жени с частотой основной гармоники F (на фиг. 91,,8, показаны напр жени на обмотках фильтра-трансформатора 7).

Ломанна лини трапбщеидального вида на фиг, образована низкочастотными гармониками, кратными f, и представл ет собой фазное напр жение без учета субгармонических составл ющих , легко устран емых небольшим фильтром даже при нагрузке активно- индуктивного характера.,

Введение т-фазных фильтров-тране- форматоров на выходе преобразовател выгодно отличает предлагаемое устройство от указанного прототипа, так как наличие фильтров-трансформаторов позвол ет снизить установленную мощность как т-цепевых переключателей (модул торов ), так и групп вторичных обмоток (трансформатора), причем как тех, так и этих в m раз, что позвол ет существенно уменьшить массу и габариты

5

го фиг. 6)k, , на которой показана форма напр жени фазы А улучшенного гармонического состава.

По блок-схеме фиг. 1 можно строить и преобразовать с пр моугольной формой напр жени на входе модул торов, например преобразователи посто нного напр жени в квазисинусоидальные. В них напр жени пр моугольной формы, например, с паузой регулируемой длительности 2 oi 2 (фиг. Sa.S,)) повышенной (несущей) частоты F, , образующие трехфазную систему, получают на выходах инверторов с выходными трансформаторами и подают на силовые входы каждого из модул торов 4, 5, 6. На. фиг. 8 показаны -правл ющие сигналы модул торов . частоты F,, . Тоглучают напр жени с широтно-икпульс- ной модул цией и частотой первой гармоники f с фазами А, В, С трехфазной системы. Вид всех трех напр жений фазы А, например, показан на фиг, ,u фиг. 9 а ,S, , На выходе преобразовател после фильтров-трансформаторов 7, 8, 9 формируютс напр жени с уменьшенным значением коэффициента

гармоник (вид напр жени фазы А пока5

0

5

преобразовател . Кроме того, что суммарна установленна мощность всех фильтров-трансформаторов, которую в первом приближении можно определить как половина (вторичных обмоток нет, есть только первичные) произведени действующих значений первой гармоники выходного тока и основной гармоники приложенного к нему напр жени 4 несмотр на разные их частоты, так как потери мощности в меди трансформатора определ ютс в основном током нагрузки , т.е. выходньм током, а потери в стали - в основном величиной приложенного напр жени ), увеличенна в га раз, составл ет величину в половину выходной мощности при активной нагрузке (амплитуды первой гармоники выходного напр жени и основной гармоники приложенного к фильтр-трансформатору напр жени равны, что иллюстрирует и фиг. 6,,е,Я.), т.е. в половину установленной мощности т-фазного трансформатора на входе предлагаемого преобразовател (при этом потер ми мощности в трактах преобразовател можно пренебречь в силу их несущественной величины), они работают фактически на высокой частоте Fj (режим работы трансформатора определ етс частотой приложенного напр жени ), на практике превышающей F, не менее, чем в 2 раза . Следовательно, масса и габариты их невелики.

Снижение установленной мощности т-цепевых переключателей происходит в m раз, так как во столько раз уменьшаетс величина коммутируемого ими тока, ибо в любой момент времени вместо одного переключател тот же ток нагрузки пропускают переключателей, строго равномерно загруженные этим током (строго благодар функции выравнивани , свойстванной фильтрам- трансформаторам) .

Снижение установленной моищости вторичных обмоток трансформатора на входе преобразовател в m раз объ с- н етс тем, что кажда вторична обмотка (со средним отводом) у прототипа функционирует, отдава мощность в нагрузку, в течение только 1/т части всего времени, и чтобы передать необходимую средшою (за период вьсходного напр жени ) мощность вынуждена в течение времени функционировани отдавать увеличенную в m раз относительно

0

5

0

5

0

5

п

средней мощность, т.е. иметь 3aBbmiieH- иую в т раз установленную мощность. Другими словами, в предложенном преобразователе вторичные обмотки трансформатора , работа непрерывно, обеспечивают среднюю мощность в нагрузке, име в m раз меньшую установленную мовщость, чем у прототипа с

К достоинствам предложенного преобразовател следует отнести также возможность построени транзисторных преобразователей повьш1енной мощности без применени параллельного соединени полупроводниковых приборов, так как каждый ключевой элемент модул торов рассчитываетс на заниженную в m раз мощность, преобразователь имеет хорошие массогабаритные показатели даже при инфранизких выходных частотах , поскольку его трансформаторы в силу принципа работы имеют рабочую частоту значительно выходной (Е , FI + F с величинами до нескольких дес тков килогерц), причем их массй и габариты практически не завис т от значени выходной частоты, котора может измен тьс от нулевьгх значений до заданных, пр1-1менение фазосдвигающих блоков позвол ет реализовать регулирование ширины импульсов выходного напр жени преобразовател путем изменени угла фазового сдвига oi, и cig,. Что позвол ет осуществл ть регулирование в широких пределах или стабилизацию амплитуды первой гармоники выходного напр жени преобразовател .

Claims

Формула изобретени

1, га-Фазный преобразователь частоты с квазисинусоидальным выходным напр жением , содержащий т-фазньш входной трансформатор с первичной т-фаз- ной обмоткой и с m группами вторичных т-фазных обмоток, 2т т-цепевых пере- к очателей переменного тока, силовые выводы каждого из которых подключены к крайним выводам соответствующей группы вторичных т-фазных обмоток, а управл ющие вьшоды этих переключателей св заны с соответствующим выходом распределител импульсов, отличающийс тем, что, с целью уменьшени массы и габаритов, он снабжен m числом т-фазных фильтров-транс-- форматоров, каждый из которых вьлюл- нен в виде га-фазной обмотки, соединенной в звезду и расположенной на стержн х замкнутого т-стержневого магнитопровода , причем свободные-крайние выводы т-фазной обмотки i-го фильтра трансформатора подключены к введенному отводу от-средней точки вторичной обмотки входного трансформатора, при- надлежащей к (j-O i3 ft фазе группы с номером j, где j 1,...,га- и i 1,...,ш-фазовые индексы соответственно входного и выходного напр жений преобразовател , причем при значени х полученного из выражени Rj-O + i индекса больше числа m из него следует вычесть число т, при этом распределитель импульсов вьтолнен по кольцевой пересчетной схеме с m парафазными выходами Р; и Р: , св за ными с управ- ЛЯЮ1ЦИМИ вьшодами П: ц П: т-цепевых переключателей переменного тока, подключенных к крайним выводам одной и той же группы га-фазных вторичных обмо ток.

j
2. Преобразователь по п. 1, о т - {л и ч а ю щ и и с тем, что указап- |на св зь вькодов распределител импульсов ; и Р с управл ющими вьшодами П: и II- т-цепевьгх переключателей переменного тока осуществлена путем их непосредственного соединени ,
3. Преобразователь по п. 1, о т - личаюо;ий с тем, что, с целью расширени функциональньк возможностей за счет обеспечени регулировани значени выходного напр жени , указанна св зь выходов распределител импульсов Pj и Pj с управл ющими вьшодами П : и П

т-цепевых переключателей переменного тока осуществлена посредством введенных m фазосдвигающих блоков , обеспечивающих реализацию следующего логического выражени

Р;(,,-РЙ-.) Р , ,

U-)

+ Р

JU

где Pj(4oi.) и Pj(.5) - сдвинутые соответственно на угол опережени +о6и на угол отставани отношению к Р; последовательности импульсов, опре- дел емые в коде О и I,

Д

-Ha

иг.5

r lflfLJF b:dF

№

IfL-JU 1

Л

rt

1 Л П

U U LJ

D

П.

U U U П. л. л. П

и U U

1

mi

пиш

qjusB

rotП

LJ

IPRfbffl

/7д / л й Pи лУ / x - J /° lM-PiJ7 )-2Pд- )

uuuu

f

шит

n

uuu

1

U

-.ЛД,Пг1 П n.P.i,

uHj V - Vuiii

/к

L 18flM

Ufflfl

лшт

физ.З

ъ

LJ

IPL

L