SU738068A1 - Многофазный преобразователь частоты с вращающимс магнитным полем - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к электротехнике и может использоватьс  в пре образовательных установках и системах электропривода, где требуетс  регулирование частоты в обе стороны относительно частоты питающей сети. Известны непосредственные преобра зователи частоты, в которых каЯода  фаза нагрузки подключаетс  к фазам питающей сети или к отводам трансфор маторного преобразовател  числа фаз циклически через равные промежутки времени. Такие преобразователи экономичны и обеспечивают плавное регулирование частоты в обе стороны относительно частоты питани , однако их силовые схемы и сусемы управлени  сло.жйы. Наиболее близким к данному устрой ству по технической сущности  вл етс  многофазный преобразователь часто ты с вращающимс  магнитным полем, со держащий магнитопровод с расположенными на нем многофазной соединенной звезду первичной обмоткой, концы которой через ключевые элементы соединены с выводами дл  подключе ни  источника питани , и многофазной вторичной обмоткой, , Данному преобразователю присущи сложность силовой схемы, св занна  с нербхрДилюстБЮ увеличени  чис;ла ОТвЪдов преобразовател числа фаз :и числа ключей дл  получени  удовлетворительнОй формы кривой выходного напр жени ; слож ностЬ управлени , св занна  с необходимостью формировани  управл ющих сигналов, частота которых равна разности между требуемой частотой и частотой питани . Целью насто щего изобретени   вл етс  устранение указанных недостатков , т.е. упрощение силовой схемы и управлени  преобразователем. . Указанна  цель достигаетс  тем, что в многофазном преобразователё частоты с вращающимс  магнитным полем, содержащем магнитопровод с расположенными на нем многофазной соединенной в звезду первичной обмоткой , концы которой через ключевые элементы соединены с выводами дл  подключени  источника питани , и многофазной вторичной обмоткой, в каждой фазе первична  рбмотка выполнена из двух ветвей противоположной пол рности, кажда  из которых состоит из двух секций, соединенных

. v eftee

с6гласно-п,оследовате;1ьно и подклю Зе Ш одШиШннШ/ и 1Й бШШ соответствующим ключевым элементам данной фазы. Кроме тЪго, в многофазном преобразователе частоты с вра Щйющимс  магнйтнйм полем маг1Нйто провод состоит из двух частей, причем ра1сположённые на них первичные и вторичные обмотки имеют противоположные направлени  намотки витков.

БлШt5Дадш укаэ йнсП гУ ваАеШШййю формирование враиающегос  магнитного ПС1ЛЯ и регулирование частоты его вращени  осуществл етс  не междуфа зными

переключени ми/ а путем переключени  чис.ел и пол рности. веЪвей;каждой /

фазы. Этим достигаетс  уменьшение числа ключей силовой схемы и одновременно упрощение управлени , кото роё становитс  не частотным, а проГраММНЫМ . - :- . : -

Сущйость изЬбрётёний по сн етс  чертежами, где на фиг.1 показан -ч пример выполнени  агнитОпрЪвбда

преобразовател ; на фиг. 2 - п;рймёр

выполнени  одной ветви каждойфйэй; на фиг.З - схема подключени  первичной обмотки; на фиг.4 - трехфазна  система токов первичной oб «5тки при отсутствии переключений; на фиг.5 - ; пространственное распределений чисел витко в фаз первичной обмотки на фиг.б - вращающеес  магнитное поле

при отсутствии переключений; на

фиг.7 - получение удвоенной частоты вращени .магнитного пол ; на фиг.8 получение учетверенной частоты вращени  магнитного пол ; на фиг.. ,.., , получение половинной частоты вращени  магнитного пол ; на фиг. 10 получение полуторакратной частоты вршцени  магнитного пол ; на фиг.11 Тв1эемён ь1ё дй а граммы намагничивающих сил трех $аз и йх сумма прй половинной частоте вращени ; на фиг.12 ёЗсёма Т1рёЬбразоватёл  с дsybSfTS Hтопроводами . с использованием естественной коммутации тиристоров.

Магнитопровод преобразовател ,

изобра:Женный на фиг.1, выполнен по

типу магнитных систем электрйчёс1 их

машин переменного тока. Магнитопро вод мбжет быть выполнен цельным с

отверсти ми или дл  удобства монтажа разъемным, т.е . состо щимизДвух .частей, аналогичных статору и ротору электричёских маййн и йШйщихГпа; зы ДЛЯ укладки обмоток. На фиг.1

лини  р1азъема показана пунктиром по ос мотверстий (пазов). 1 ... . в Отверсти х или пазах ма гнйто- провода уложены первична  обмотка

и вторична   обмотйа; выпой Йё1ййыё

по типу обычных многофазнь1х распределенных обмоток электрических машин

И ймеюЩиё Ьдинаковые числа Полюсов. Числа фаз могут быть; различны. Ко

вТориуной обмотке подключена многофазна  нагрузка.

Кажда  фаза первичной обмотки состоит из четырех идентичных ветвей На фиг.2 показан пример выполнени  одной ветви ка адой из трех фаз , V именно ветвь фазы А показана штрихпунктирной линией, ветвь фазы В линией тире-две точки и ветвь фазы С - пунктирной линией. Как видно из фиг.2,кавда  фазна  ветвь выполнена по типу простейшей двухполюсной обмоки с полный шагом (4 паза на полюс и фазу) . :

На фиг.З представлена схема подключени  первичной обмотки к зажимам А,В,С,О питающей сети. Четыре идентичные секции двух ветвей каждой фазы имеют попарно-противоположную маркировку выводов (пол рность). Пол рность обмоток показана на фиг.З точками. Каждые две секции одной пол рности, соединенные последовательно , подключейы к фазному напр жению источника питани  через ключ. Точка соединени  двух секций одной пол рности /также подключена к той же фазе черёзключ. Таким образом, к каждой Фазе источника-питани  подключены одноименные выводы всех четырех секций. Все ключи полностью управл емые и безинерционные.

В дальнейшем изложении.предполагаем , что все ключи на фиг.З пронумерованы слева йаправо. При замкнутом первом ключе и разомкнутых осталных к фазе А подключена одна секци  условно положительной пол рности, при замкнутом втором ключе - две секции той же пол рности, при замкнутом третьем ключе - одна секци  условно отрицательной пол рности, при замкнутом четвертом ключе две секции отрицательной пол рности. Аналогичным образом подключаетс  четыре секции обеих пол рностей фазы В вторыми четырьм  ключами и фазы С- остальными четырьм  ключами.

Фазные токи угловой частоты о; питани  трех фаз первичной обмотки при подключении в каждой фазе по одной секции одинаковой пол рности изображены на фиг.4: щтрих-пунктйром дл  фазы А, линией тире-две точки дл  фазы В и пунктирной линией дл  фазы С. Такими же лини ми на фиг.5 изображены , в развертке окружности магнитпровода- на плоскость пространственные распреде. чисел витков W ветвей каждой из трех фаз первичной обмотки. При ДОсТаточно большом числе пазов кажда  секци  имеет трапецеидальное распределение чисел витков и функции от пространственной коОрдйнйт ы X.

Рассмотрим работу нагруженного преобразовател , пренебрега  током намагничивани . При изменении первичного числа витков в К раз внесенное в первичный контур сопротивление измен етс  в К раз (без учета рас:сё ни ) , т.е. ток первичной оВмоткй измен етс  практически в l/K раз. При этом намагничивающа  сила (н.с. данной фазы первичной обмотки измен етс  в 1/К раз. При указанных поочередных замыкани х первых четырех ключей устанавливаютс  мгновенные значени  н.с. фазы А, равные соответственно +2Рд , +Гд, -2Рд , -Рд Аналогичным образом устанавливаютс  четыре значени  н.с. фазы В в зависимости от положени  вторых четырех ключей и фазы С - от положени  оста ных четырех ключей. На фиг.б изображена бегуща  (вращ юща с ) волна н.с. первичной обмотк И.ЛИ магнитное поле при посто нно за нутых 2-ом, б-ом и 10-ом ключах и разомкнуты1Г остальных, т.е. когда к фазным напр жени м посто нно подклю чены ветви одной пол рности, н.с. которых равны +Гд н.с. имеют такие же трапецеидальные распределени , что и числа витков фазных обмоток и изображены на фиг.б такими же, лини ми. Кривые сумм н.с, трех фаз изображены сплошными лини ми .. Как в любом трансформаторе с вра щающимс  магнитным полем, волна в этом случае вращаетс  вдоль окружности магнитопровода - пространствен ной координаты X - с угловой скоростью , равной угловой частоте питающего напр жени ; на фиг.б показан поворот волн н.с. на пространственный угол 2 - радиан за интервал-и ir бшЪ . на фиг.7 показано получение удвоенной скорости вращени  волны н.с. В момент С4) замкнуты ключи 2-й 6-й и 10-й, как и на фиг.б,и волна н.с. имеет то же положение. В следующий момент ii}, ток фазы В ( Рд 0), все проходит через нуль ключи фазы А разомкнуты (Рд в фазе С замкнут 9-й ключ, так что н.с. фазы С равна 2Р, она изображена на фиг.7 сдвоенной пунктирной линией. В следующий момент шЪ - замкнуты ключи 3-й, б-й и 10-й и н.с фаз равны - 2Р;,, Pg, и соответственно н.с. фазы А условно отрицательной пол рности изображена на фиг.7 сдвоенной штрих-пунктирной линией, а н.с. остальных двух фаз одинарными лини ми. В следующий момент cut « (на фиг.б он уже не показан) замкнуты ключи 5-й и .11-й, н.с . фаз В и С равны 2РцИ -2Р(., и т.д. Как видно из фиг.7, волна результирующей Н.С., изображенна  спло ной линией, вращаетс  вдвое быстрее, чем на фиг.6 - поворачиваетс  на такой же пространственный .угол радиан за вдвое меньшее врем  О(wt, Фиг.8 по сн ет получение учетверенной скорости вращени  волны н.с. В -моментooi-о замкнуты те же ключи 2-й, б-й и 10-й, как и на фиг.6, и волна н.с. имеет то же полЬ (:ение. В следующий момент tot , изоб раженный на фиг.8, замкнуты ключи :3-й и 9-й, и н.с. фаз А и С раины ,соответственно -2Рд и 2Рс.. В следую;щий момент ш-Ь (на фиг.8 он уже не показан) замкнут только 11-й 1ключ, н.с, -2Р создаетс  только .:фазой С и т.д. Как видно из фиг.8, при таких переключени х волна ре - ,зультирующей н.с. врав1аетс  вчетверо быстрее, чем на фиг.i6 - поворачи- , ваетс  на такой же пространственный угол 21Г/3 радиан за йчетверо меньшее врем . .. Фиг.9 по сн ет получение половинной скорости вращени  магнитного пол . В период : Т замкнуты только 2-й и ключи, обуславлива  только н.с. F. и Р--. Далее в момент АО Ш-t-- замкнут только 9-й ключ, и,н.с. равна 2Р. Далее в момент a)i Щ с замыканием соответствующих ключей задаютс  фазные н.с. -Рд f Fg, и Р далее в момент 5 §- н.с. -Р и 2Pg и т.д. Как видно из фиг. 9, волна результирующей н.с. вращаетс  вдвое медленнее, чем на фиг.б. ; На фиг.10 по сн етс  получение частоты вращени  магнитного пол , в 1,5 раза превышающей частоту питани . Переключени ми соответствующих ключей задаютс  в момент фазные н.с. Рд 9 Р, в момент out Рр, в момент Ш-Ь -§ РС и PQ , в момент ШЬ l 2Pg и т.д. За врем  ОёШ-Ъ 2. волна результирующей н.с. поворачиваетс  в пространстве на ГС радиан, т.е. углова  частота ее вращени  в 1,5 раза больше частоты .питани . Таким образом, показана возможность регулировани  частбты вращени  волны результирующей н.с., т.е. магнитного пол  и, следовательно, выходной частоты преобразовател  как в сторону увеличени , такИ в сторону уменьшени  относительно частоты питани , причем в широком диапазоне. Эта воз- можность достигаетс  переключени ми ;в каждой фазе всего двух значений ампер-витков противоположной пол рности , хот  может быть использовано и большее число таких значений - при этом увеличиваетс  число ветвей обMOTOJC и ключей. . Ампер-витки фазных обмоток переключаютс  через равноотсто щие промежутки времени, в рассмотренных :примерах через U)t , не завис щие от достигаемой выходной частоты «1М1 п-г пг1( пнуптгнпй - частоты вращени  .магнитного пол , При этом предполагалось, что .за каждый такой промежуток фазный ток достигает расчетного значени , т.е. переходный процесс протекает достаточно быстро. Еассмотрим ограничени , накладываемые временем переход ного процесса. Как известно, посто нна  BpeMeHH изменени  токов в нагруженном трансформаторе определ етс , в основном, р е а1стйвносТ ми рассе ни . .Чтобы с вободна  составл юща  тока переходного процесса практйчески исчезла за заданный промежуток времени между двум  переключени ми, реактивности рассе ни  обмоток должны быть достаточно малы. Так KaiK эта составЛЯощаЯ затухает до 5% от своего первоначаль його значени  за врем  ЗТ/то дл : регулировани  с точностью не хуже 5% необходимо, чтобы промежуток Bpie йё тГйёЖдУДвУмй-Переключени ми составл л 3 Т В рассмотренных прИмёг pax этот промежуток равн лс  (JU-t ---g t - Поскольку UJV равно отношению реактивной мощности трансформатора к активной, то дл  указанного регулировани  это отношение не должно превышатьшГ--со. 0,174. При активной нагрузке реактивна  мощ HoVtb трЪнсформатора обычйб не птрёвь шает 17%от активной, и данное условие выполн етс . При активно-индуктивной нагрузке или повышенньах индук тйв ност х рассе ни -обмоток необхо-.. димо уменьшить точность регулировани . Дл  уменьшени  индуктивностёй рассе ни  магнитопровод.может быть выполнен в виде набора тороидальных сердечников; при равномерной намотке Таких сердечников индуктивности рассе ни  станов тс  весьма малы. Вы пбЛненйе таких .сердечников из пер- « алло  сводит к минимуму ток намаг .ничивани , который измен етс  мед- . . леннее тока нагрузки. Фиг. 11 иллюстрирует изменениё н . с во времени дл  частоты вращени  магнйтного пол  , равн ой пЬЛОвйне Чгае 1Оты .питани , при том же .интервале между переключени ми ujt - .На графике фиг. 11 представлены распблбженйыё друг под другом Hiс. фаз А,В,С и-.: их сумма - результирующа  крива  н.с Диаграммы построены дл  той точки окружности магнитопровода фигД, Гв кЬтброй относительные значен1}.  чисел витков фазных.-ветвей равны f 1, Wn W -i-. При построении диаграммы н.с. прин то, что (UT 0,474, т.е. чтон.с. достигают расчетных значений (фиг.9) к моментам переключений. СпП жаные лини изображают н.с. при переключени х, - 8ггйа7Гьтге ж- - й Ми 8й намё вившиес  значени  н.с. Из фиг. 11 вид но, что хот  фазные н.с. экспонен циаЛьно измен ющиёс  между переКлючени ми , несйнусоидальными, результирующа  н.с. половинно й: часточм приближаетс ,к синусоиде. Предлагаемый преоб1раз; 5Йатё:лЁ Ябжет быть; выполнен с испрль эдванйём не только полностью управл ёШх клю чей , как описано Btjirie, йр; и. тиристоров . На фиг. 12 йзображёи1п(рШ|ё1} Йре

738068 образовател , в,котором используетс  естественна  коммутаци  тиристоров . Преобразователь содержит два магнйтопровода, каждый из которых выполнен, как на фиг.1; эти магнитопроводы показаны на фиг.12 в виде двух сердечников, общих дл  трех фаз. Кажда  фаза первичной обмотки выполнена вышеописанным образом, т.е. состоит из четырех секций, причем две последовательно соединенные секции одной пол рности уложены на одном сердечнике, а секции другой пол рности - .на втором сердечнике. Секции трех фаз первичной обмотки подключены к зажимам А, В, С,О источника питани  через тиристоры таким образом, что их пол рность в обоих сердечниках относительно вторичных обмоток противоположна. Вторичные обмотки каждой фазы, расположенные на двух сердечниках и соедине,нные последовательно, подключены к зажимам а,в,с, о нагрузки. Отличиеработы преобразовател  фиг.12 от работы схемы фиг.З в том, что поскольку тиристор не может быть выключен до конца полупериода, изменение н.с. фазы достигаете включением секций первичных обмоток обоих сердечников, действующих в противоположные стороны относительно выходной обмотки. ПРИ этомчисло включаемых Секций подбираетс  так, чтобы алгебраическа  сумма н.с. сердечников равн лась требуемому значению по величине и знаку. Количество секций в каждом сердечник,е выбираетс  так, чтобы обёсйечйть Т1реё уёмыё значени  н.с. дл  заданных частот. Работа преобразовател  на фиг.12 дл  получени  половинной выходной частоты осуществл етс  следующим образом, при этом считаем, что тиристоры пронумерованы слева направо, причем в рассматриваемом интервале 3 $tf-t 5 -/ когда тбк рассмат зиваемой фазы А отрицательный (см.фиг.4), могут проводить только нечетное тиристоры. В момент Uj-t-3 включаетс  7-й тиристор, пропуска  ток в две секции второго сердечника, так что н.с. равна -Рд. В момент uj-t (о отпирающим сигналом включаетс  5-й тиристор , шунтиру -вторую .секцию и пропуска  ток в-первую секцию второго сердечййка . Н.с. во втором сердечнике начинает увеличиватьс  по абсолютной величине и i моменту OL)i.-1H $ достигает установившегос  значени  В этот момент включаетс  1-й тиристор, пропуска  ток в две секции первого сердечника. Н.с. первого сердечника за ийтервал 11 stsj-t s-ZTC достигает установившегос  значени  Рд, так что к моменту U) относительно выходной обмоткифазы А действует реЗультйрующа н. с. -2Гд +F( -Рд. Эта н.с. сохран етс  до конц полупериода, после чего нечетные ти ристоры перестают проводить и в раб ту вступают четные тиристоры. Рассмотрим преимущества предлага мого преобразовател  по сравнению с прототипом. Работа преобразовател  прототипа основана на циклическом переключении каждой фазы нагрузки между фазами питани  (отводами прео разовател  числа фаз). Поэтому един ственным путем улучшени  формы крив выходного напр жени   вл етс  увели чение числа фаз и, следовательно, числа ключей переключател , Работа предлагаемого преобразовател  основана на переключении ампер-витков одной и той же фазы. Поэтому увеличе ние числа переключений и улучшение формы кривой выходного напр жени  ограничиваетс , в основном, не числом фаз и ключей, а длительностью переходного процесса установлени  тока в первичной обмотке. Уменьша  реактивности рассе ни  обмоток,можно увеличивать исло переключений без увеличени  объема аппаратуры, .Вследствие этого принципиального различи  схема прототипа, содержаща  б полностью управл емых ключей на фазу (всего 18 ключей), не обеспечивает хорошей формы кривой выходного напр жени . Предлагаемый преобразователь, (фиг,3) при меньшем числе ключей (4 на фазу, всего 12 ключей) обеспечивает лучшую форму (см,фиг,11), Следо вательно, при одинаковой степени подавлени  высших гармоник в кривой вы ходного напр жени  силова  схема пре лагаемого преобразовател  проще. Частота -переключений в преобразователе-прототипе равна разности межд требуемой частотой и частотой питани Поэтому система управлени  в прото-. типе должна содержать источник требуемой -частоты, устройство дл  сравнени  этой частоты с частотой питани , формирователь отпирающих импуль

738068

Claims (1)

10 СОВ разности частоты и программное устройство дл  распределени  этих импульсов по ключам, В предлагаемом преобразователе ключи отпираютс  в одни и те же моменты времени, не завис щие от требуемой выходной частоты (в рассмотренных примерах эти моменты дл  любой частоты отсто т друг от друга на ШЬ -g- ) , Изменение выходной часгтоты осуществл етс  лишь изменением пор дка включени  ключей, т,е, программы переключений. Поэтому система управлени  предлагаемым преобразователем представл ет собой источник импульсов неизменной частоты (рассмотренных примерах частоты 12 to) и программное устройство, подающее эти импульсы на ключи пр заданной программе . Следовательно., система yripiaBлени  предлагаемым преобразователем функционально значительно проще. Формула изобретени  1,Многофазный преобразователь частоты с вращающимс  магнитным полем, содержащий магнитопровод,. с расположенными на нем многофазной соединенной в звезду первичной обмоткой , концы которой через ключевые элементы соединены с выводами дл  подключени  источника питани  и многофазной вторичной обмотки, о т л И- чающийс  тем, что, с целью упрощени , в каждой фазе первична  обмотка выполнена из двух ветвей противоположной пол рности, кажда  из которых с.остоит из двух секций, соединенных согласно-последовательно и подключенных одноименными вьгводами к соответствующим ключевым элементам данной фазы, 2,Преобразователь по п,1,о т л и ча ии с   тем, что магнитопро- вод состоит из двух частей, причем расположенные на них первичные и вторичные обмотки имеют противоположные направлени  намотки витков.

Фиг.З

/

/ ч

/

/

cat

/ /

N

SL / г. V3

о X 2- Ж

У v.y

Фи&Л

ч

N. ..

/

иг.5

tKiafl i5..etl.rtK-l---i7-:w;;-,-.;: / .:- Л

.JE/Z 5r ЗГйГ/2 Фи.а,5

Фыг.7

Iuz.B

738068

О Z

3t -i 2,yt

Риг..

N.

/s

у

:::

7

I