SU736295A1 - Магнито-полупроводниковый преобразователь частоты - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к преобравователькой технике и может использоватьс  в электротехнических преобразовательных установках ri системах электропривода.

Известны статические вентильные преобразователи частоты с непосредственной св зью и принудительной (искусственной) коммутацией вентилей , в которых кажда  фаза нагрузки подключаетс  к фазам питающей сети или к выводам преобразовател  числа фаз циклически через равные промежутки времени 1 и 2.

Недостатки указанных преобразователей - -сравнительна  сложность схем из-за значительного количества управл емых элементов, например тиристоров в силовой схеме и в узлах принудительной коммутации; сложность управлени , так как такими элементами необходимо управл ть в определенной последовательности (многоканальное управление); отличие частоты управлени  от выходной частоты, что приводит к необходимости вводить в преобразователь дополнительные устройства дл  сравнени  частоты питани  с требуемой

частотой и выработки по результатам этого сравнени  управл ющих сигналов; относительный диапазон изменени  частоты управлени  должен быть шире, чем выходной частоты, что также усложн ет систему управлени  .

Наиболее близким к изобретению по технической сущности  вл етс 

10 магнитно-полупроводниковое устройство , содержащее подключаемые к многофазной сети идентичные трансформаторы с магнитосв занными сердечниками , число которых кратно чис15 лу фаз сети,причем одна из обмоток каждого трансформатора подключена к вентил м и к управл емому ключу 3 .

Это устройство содержит значи20 тельно меньше yпpaвл e иx ключевых элементов.

Однако оно также сравнительно сложно .

25

Цель изобретени  - упрощение преобразовател .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что одни одноименные концы упом нутых обмоток объединены в одну точку, другие концы через иден30

тично включенные вентили - в другую точку, а управл емый ключ включен между этими точками.

На фиг. 1 изображена схема нитно-полупроводникового элемента; на фиг, 2 - график работы магнитнополупроводникового элемента; на фиг. 3 - пример выполнени  схемы преобразовател  с многофазной и однофазной нагрузками; на фиг. 4 ГОКИ цепей;., на фиг, 5 - график магнитных потоков трансформаторов; фиг. 6 по сн ет работу преобразовател  на двигательную нагрузку; на фиг. 7 - пример выполнени  схемы преобразовател  с однофазной нагрузкой .

Магнитно-полупроводниковый элемент представл ет собой управл емый трансформатор, содержащий первичную обмотку 1, подключенную через нагрузку 2 к источнику синусоидального напр жени  угловой частоты м, Еторичную обмотку 3 и обмотку 4 управлени , замкнутую вентилем 5 и полностью управл емым ключом 6 (например транзистором). Сопротивление нагрузки 2 много меньше индуктивного сопротивлени  обмотки 1, если сердечник трансформатора не насыщен и много больше, если сердечник нас|ыщен . Крива  намагничивани  сердечника трансформатора - зависимость Цагнитного потока Ф от намагничивающей силы F - близка к пр моугольной и изображена (фиг. 2) кривой 7. Если нагрузка к обмотке 3 не подключена , то при разомкнутом ключе 6 viepe3 нагрузку 2 течет незначительный ток намагничивани , а магнитный rioTOK сердечника измен етс  синусоидально , как показано на фиг. 2 кривой 8. Максимальный поток Ф„ ненасыщенного трансформатора выбираетс  немногим меньше потока насыщени  Ф, как показано на фиг. 2. При посто нно замкнутом ключе б вентиль 5 обуславливает самонасыщение трансформатора , падение напр жени  на обмотке 1 незначительно и практичес ки все напр жение приложено к нагрузке 2. Полупериод 3t , в течение которого вентиль 5 может проводить ток,  вл етс  рабочим;второй полупериод, когда вентиль не проводит,  вл етс  нерабочим. Коммутаци  ключа 6 вли ет на работу схемы практически только в рабочем полупериоде .

Если в момент ujt.--d рабочего псшуперйода , когда магнитный поток сердечника равен Ф, замкнуть ключ 6, то обмотка управлени  замыкаетс  накоротко через провод щий вентиль. Так как падение напр жени  на провод щем вентиле незначительно,магнитный поток практически nepecTSieT измен тьс , как показано на фиг.2 кривой 9. При этом через вентиль

течет ток, показанный кривой 10.Так как после замыкани  ключа индуктивное сопротивление обмотки 1 становитс  незначительным, по нагрузке 2 течет ток i , показанный на фиг.2 кривой 11.

Если ключ 6 остаетс  замкнутым до конца рабочего полупериода, то после изменени  знака приложенного напр жени  в момент u/t--тс вентиль 5 перестает проводить и цепь управлени  практически размыкаетс . Магнитный поток.сердечника начинает возрастать , достигает к моменту uul (Л-vd значени  потока насыщени  Фд и дале измен тьс  не может до конца периода . Поэтому от момента ) до конца периода по нагрузке 2 оп ть течет ток, В интервале 1Г г.тг ключ 6 размыкаетс  и далее процесс повтор етс . Если ключ 6 размыкаетс  в нерабочем интервале, т.е. без разрыва цепи, то магнитный поток и ток в нагрузке 2 измен ютс  так, как показано на фиг, 2 сплсхиными кривыми 9 и 11, а сердечник перемагничиваетс  по частному циклу от Фд до Ф. В этом режиме схема (фиг. 1) работает аналогично магнитно-вентильному усилителю.

Если же ключ 6 размыкать в момент ai--p , когда вентиль находитс  в провод щем состо нии, то с этого момента до конца рабочего полупериода магнитный поток уменьшаетс  до значени  Ф и далее возрастает как показано на фиг, 2 пунктирным продолжением кривой 9; насыщение наступает позже момента ш1 (JC+ot) , Соответственно ток1„в нагрузке 2 течет меньший интервал времени, как показано на кривой 11 пунктиром,Таким образом, при размыкании ключа с разрывом тока сердечник перемагничиваетс  по частному циклу от Фд до Ф , а крива  тока в нагрузке 2 несимметрична.

Проанализировав работу одного управл емого трансформатора, рассмотрим схему преобразовател  (фиг. 3). Он содержит восемь идентичных управл емых трансформаторов, первичные обмотки 1 которых подключены через нагрузки 2 к источнику питани , а вторичные обмотки 3 соединены последовательно, образу  выходную обмотку Н-Н, Обмотки 4 управлени  соединенные с вентил ми 5, подключены параллельно к одному полностью управл емому ключу 6, Преобразователь подключен к восьмифазному источнику напр жени  с нулевым проводом (обозначен О).

Работу схемы фиг. 3 по сн ют фиг. 4 и 5. Сплошными синусоидальными лини ми (фиг. 4} показаны токи первичных обмоток трансформаторов при посто нно замкнутом ключе б, а сплошными синусоидальными лини ми

(фиг, 5) изображены синусоидальные viarHHTHtJe потоки трансформаторов при посто нно разомкнутом ключе.

Рассмотрим работу восьми управл еких трансформаторов, когда ключ з.амыкаетс  на полпериода частоты питани  в интервале от uJtA -к: до Р а Интервал, в течение которого ключ замкнут, дл  нагл дности показан горизонтально заштрихованным пр моугольником в нижней части фиг, 5. Одно деление горизонтального мааитаба на фиг, 4 и 5 равно d.-n: .

Момент ci замыкани  ключа попадает дл  первого трансформатора в рабочий полупериод, когда вентиль находитс  в провод щем состо нии, а магнитный поток равен Ф, До конца рабочего полупериода uft 2.Кмагнитный поток не измен етс , как показано на фиг, 5 штрих-пунктирной линией. Поэтому в интервале по нагрузке 2 первого трансформатора течет ток, показанный на фиг, 4 штрих-пунктирной линией. После ( вентиль перестает проводить, магнитный поток возрастает и к

3t достигает значени  насымен

л.

щени  Ф, С этого момента до начала рабочего полупериода () пот.ок измен тьс  не может и по первичной обмотке оп ть течет ток. Далее вентиль начинает проводить, магнитный поток Уменьшаетс , к моменту замыкни  ключа достигает первоначального .значени  Ф и процесс повтор етс .

Магнитный поток второгю трансформатора , показанный на фиг, 5 точечной линией, в момент ck имеет значение Ф,, . Пока вентиль проводит, т.е. до конца рабочего полупериода Л поток сердечника не измен етс , а по нагрузке 2 второго транформатора течет ток - точечна  лини  на фиг, 4, Далее магнитный доток возрастает, после jt сердечник насыщаетс  и остаетс  насыщенным до начала рабочего полупериода ол1., т.е. в интервале I И ши Tt по нагрузке оп ть течет ток. С момента ш Ь Л вентиль начинает проводить , магнитный поток уменьшаетс , достигаетс  к моменту сЛ первоначального значени , и процесс повтор етс  .

Магнитный поток третьего трансформатора показан на фиг. 5 линией

кани  ключа попадает в конец нера-бочего полупериода, когда сердечник насыщен. С начала рабочего полупериода поток может уменьшатьс  лишь на очень малую величину, напримерот Фд до Ф,,, соответствующую падению напр жени  на провод щем вентиле и активном сопротивлении обмотки 4, т,е. остаетс  практически неизменным до момента (i размыканий

ключа. В момент & вентиль находитс  еще в провод щем состо нии, и после разрыва цепи обмотки 4 магнитный поток уменьшаетс  до значени  Ф|, , затем возрастает, после сердечник насыщаетс  и. процесс повтор етс . Таким образом, в течение все , го периода, кроме интервала Tt Lut I Л магнитный поток третьего трансформатора не измен етс , а по его нагрузке 2 течет ток, показанный

0 линией тире-две точки на фиг.4.

Магнитный поток четвертого трансформатора показан на фиг. 5 линией два тире-точка. Момент ok попадает дл  четвертого трансформатора

5 также в нерабочий полупериод, когда сердечник насыщен. С начала рабочего полупериода магнитный поток может уменьшитьс  лишь на малую величину от Фд до Ф и не измен етс 

0 цо момента р , после чего уменьшаетс , достига  минимума конце рабочего полупериода, и затем оп ть возрастает. К моментуш1 Псердечник насыщаетс  и процесс повтор етс . Таким образом, изменение пото5 ка -имеет место лишь в интервале , остальную часть периода по нагрузке 2 четвертого трансформатора течет ток, показанный линией два тире-точка (фиг. 4).

0

Магнитный поток п того трансформатора показан на фиг. 5 линией тире-три точки . Момент сх также

5 попадает в нерабочий полупериод, и . магнитный поток возрастает, достига  значени  насыщени  к моменту ujt- - лх и остава сь затем посто нным, С начала рабочего полупериода U)t-2.Tr до момента поток может уменьшитьс  лишь на малую величину. от Фд до Ф, после чего начинает уменьшатьс , в конце рабочего полупериодаш к достигает минимума (-Ф), затем возрастает , и процесс постор етс . Таким

5 образом, магнитный поток остаетс  неизменным и по нагрузке 2 п того трансформатора течет ток в интервале US lot |Т1 (лини  тире-три точки на фиг. 4).

0

Магнитный поток шестого трансформатора , показанный на фиг. 5 линией два тире - две точки , измен етс  аналогично, но так как ключ включаетс  близко к началу нерабочего полупериода (ш1 Ti) , а выключает5 с  спуст  лишь малый интервал тс после начала рабочего полупериода ( К ) , сердечник успевает почти полностью перемагничиватьс .. Магнитный поток не измен етс  и, сле0 довательно, ток по нагрузке 2 шестого трансформатора может течь лшиь в коротком интервале glt-iiuUg-K - лиS , ,

I I

два тире-две точки на

ни 

5 фиг. 4.

Магнитный поток седьмого трансформатора показан на фиг, 5 мелкопунктирной линией. Значение потока (-Фд) f достигнутое к моменту СХ, остаетс  посто нным на коротком интервале g Л и, до конца рабочего полупериода . Затем поток возрастает к моменту р достигает значени  насыщени , остаетс  неизменным до lui-j, после чего уменьшаетс  и процессповтор етс .Ток в.нагрузке 2 седьмого трансформатора течет только в двух коро.тких интервгшах-з ;1 н и |7i((tJt - как показано на фиг, 4 мелкопунктирной линией.

Магнитный поток восьмого трансформатора показан на фиг, 5 пунктирной линией. От момента ok до конца рае5очего полупериода (иН g 7Г ) поток не измен етс  и по нагрузке 2 течет ток - пунктирна  крива  на фиг, 4, Затем поток возрастает, в момент е, сердечник насыщаетс  и остаетс  насыщенным доа)-- л , В этом интервале по первичной обмотке оп ть течет ток. Далее поток уменьшаетс  и процесс повтор етс .

Сумма магнитных потоков всех трансформаторов - потокосцепление обмотки Н-Н, определ ющее напр жени на ее зажиг - ах - показана на фиг. 5 кривой 12„ Потокосцепление содержит Посто нную составл ющую, обусловленную вентил ми, и переменную составл ющую . Переменна  составл юща  имеет максимум в момент размыкани , а минимум - в момент замг 1кани  клоча, ртёдовательво, измен   положение загикнутого состо ни  ключа внутри периода, можно измен ть фазу переменной составл ющей потокосцеплени  и соответственно фазу наггр у; ени  на зажимах Н-Н, Таким образом, преобразователь может работать фазовращателем , обеспечива  плавное регулирование фазы напр жени  на зажимах Н-Н в пределах .

Если интервал замкнутого состо ни  ключа измен ет с-аое положение от периода к периоду частоты пихани , т.е. если частота кo iм тauии не равна частоте питани , то фаза напр жени  на зажимах Н-Н также плавно измен етс , т,е, частота выходного напр жени  равна частоте коммутации. Так как выходное напр жение имеет частоту и фазу, рав.ьую частоте и фазе комь утации ключа а мощность в нагрузку поступает от источника питани , преобразователь  вл етс  усилителем мощности,

Ток в нулевом проводе сумма токов первичных обмоток трансформаторов -.изображенный на фиг, 4 кривой 13, представл ет собой пердаодз-1ческую кривую, у которой частота и фаза основной гармоники определ етс  частотой переключени  уп. равл емого ключа б. Следовательно,

нагрузка может быть включена и в нулевой провод,

В качестве нагрузок 2 удобно использовать фазные обмотки многофазных электрических машин, например J, асинхронных двигателей. Пусть на - статоре машины, расположены восемь фазных обмоток, витки которых синусоидально распределены по окружности статора со сдвигом на 1/8 его расточки. При питании зтих обмотрк

токами i , показ анныгуда на фиг, 4, результирующа  намагничивающа  сила (и при равномерном воздушном зазоре магнитное поле машины) имеет синусоидальное распределение по рас5 точке статора, как показано на

фиг, 6 дл  п ти последовательных моментов OTujt О дош1--| , По горизонталь 1-ой оси X на фиг, 6 отложены пространстзенные координаты стато0 Ра в угловых единицах,.

Как видно из фиг. 6, магнитное . поле многофазной магиины при питании ее от преобразовател  фиг, 3 представл ет собой бегуш:ую волну, поло ,- жение и скорость которой определ етс  управлением ключом б, Следовательно„ , преобразователь (фиг, 4) позвол ет осущест1 ить частотное регулирование скорости привода переменного тока с помощью лишь одного управл емого элемента. Таким образом , преобрэзоватегль (фиг, 3) может использоватьс  дл  питани  как многофазной , так и однофазной нагрузки .

Работа преобразовател  (фиг.З) рассмотрена дл  простоты при питании от восьмифазного источника.Очевидно- работа его не измен етс  и при питании от четырехфазного источника , еаил у половины трансформаторов изменить взаимное направление первичных и управл ющих обмоток,

Еати число фаз схемьл больше числа фаз питающего напр жени , то первичные обмотки трансформаторов соединепы последовательно, образу  преобразователь числа фаз. На фиг,7 показан пример схеглы, котора  как и фиг, 3 содержит восемь управл емых трансформаторов, но питаетс  от двухфазного источника. Каждый трансформатор содержит две первичные обмотки 14 к 15, Числа витков первичных обмоток 14 распределены по сердечникам трансформаторов по синусоидальномч закону, а числа витков обмоток 15 - по косинусоидальноьту закону. При подклЮЧении последовательно соединенных обмоток 14 к перQ ЗОЙ фазе А.-Х питающего двухфазного напр жени , а обметок 15 - ко второй фазе и при разомкнутом ключе б напр жени  выходных обмоток 3 образуют симметричную восьми фазную

5 систему,, т ,е в их на выходных

зажимах Н-Н равна нулю.При коммутации ключа 6 работа схемы (фиг. 7) принципиально не отличаетс  от работы схемы, (фиг. 3).

Claims (3)

1.Сб. Современные задачи лреобразовательной техники , ч. 2,

К., 1975, с. 132-140.

2.Патент Японии 56 В 3 № 48-31408, 1973.

3.Тонкаев В.Е. и др. Магнитнос полупроводниковые модул ционные преобразователи .тоты. К., Наукова Думка , 1970, с. 182-183.

Ф

а

,8 8 S

uJ uJ uJ