SU961073A1 - Непосредственный утроитель частоты - Google Patents

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания утроенной частоты, где требуется повышейное качество выходного и входного токов.

Известны вентильные непосредственные преобразователи частоты, работающие в режиме утроения частоты •10

Однако данные утроителя выполнены в виде мостов на неполностью управляв-, мых вентилях-тиристорах с естественной коммутацией, что является причиной низких технико-энергетических показателей этих устройств. ·'

Известен также утроитель частоты, в который для обеспечения полной управляемости тиристоров вводят блоки принудительной коммутации £4]. „

Однако его недостатком является пониженное качество потребляемого из сети тока.

Наиболее близким по существу технического решения к предлагаемому является устройство, содержащее трех- 25фазный управляемый вентильный мост и дроссель, обмотка которого имеет центральный отвод, причем начало и конец обмотки этого дросселя соедине-. ны соответственно к анодной и катод- '30 ной точкам трехфазного вентильного моста, центральный отвод обмотки соединен к одному зажиму однофазной нагрузки, а другой зажим нагрузки соединен нулевой точкой сети. Для придания вентилям моста свойств полной управляемости здесь используется блок принудительной конденсаторной коммутации [5J.

Недостатком известного устройства является сравнительно плохая форма потребляемого из сети тока.

Целью изобретения является улучшение формы потребляемого из сети тока.

Поставленная цель достигается тем, что непосредственный утроитель частоты, содержащий выполненный на полностью управлявших ключах трехфаэный мост с включенным на его выходе дросселем, обмотка которого имеет средний отвод, образующий первый выходной вывод для подключения нагрузки, снабжен односердечниковым индуктивным делителем тока, обмотка которого имеет промежуточный отвод, образующий второй выходной вывод для подключения нагрузки, а концы этой обмотки через введенные полностью управляемые ключи переменного тока с двухсторонней проводимостью подключены к каждому из входных выводов упомянутого моста.

Наиболее оптимальным отношением чисел витков секций обмотки делителя тока является cos 45°: cos 75° = =2,73. В этом случае числа витков первой и второй секций составляют соответственно 0,732 и 0,2-68 от суммарного числа витков обмотки.

Это отличие обеспечивает то, что вентильный непосредственный утроитель частоты может работать в 12-пульсном режиме. В результате этого в выходном токе отсутствуют гармоники ниже 12-й, а в токе питания - 15 ниже 11-й, что сопровождается существенным уменьшением искауенности этих токов.

На.Фиг1 1 изображена принципиаль ная схема непосредственного:' утрои-„ теля частоты для упрощения выполнений” на двухоперационных тиристорах; на фиг. 2 - временная диаграмма напряже'ния питания одной фазы, тока питания Одной фазы и напряжения нагрузки, а ’ также таблица включенного состояния тиристоров.

Утроитель частоты (фиг. 1) содержит трехфазный мост с управляемыми вентилями (тиристорами) 1-6, два дополнительных трехфазных моста с управляемыми вентилями 7-12 и 13-18 соответственно, трехфазные. входы этих мостов соединены к зажимам 19-21 питания, дроссель 22, выполняющий функцию фильтрации тока и индуктив- 35 ный делитель 23 тока. Начало 24 и конец 25 обмотки сглаживающего дросселя подключены к анодной и катодной точкам трехфазного вентильного моста 1-6, а центральный отвод 26 обмотки соединен к одному зажиму однофазной нагрузки 27.

ОдНосердечниковый делитель' 23 тока имеет обмотку¹ с началом 28, концом 29 и отводом -30. Отвод 30 обмотки делителя 23 тока подключен к второму зажиму однофазной нагрузки, начало 28 обмотки подключено к связанным между собой анодной и катодной точкам дополнительного моста 7-12, а конец 29 обмотки подключен к связанным между собой анодной и катодной точкам дополнительного моста 13-18.

Предлагаемый непосредственный утроитпель частоты работает следующим обра'зом.

В каждый момент времени во вклю' ченном состоянии находятся только три вентиля, находящихся'в разных фазах и в разных трехфазных мостах. При этом, когда в основном вентиль- . ном мосте. 1-6 включен вентиль катодной группы, то в дополнительных вентильных мостах 7-12 и 13-18 включенные вентили находятся в анодной группе и наоборот. В результате этого Ток 6’5 основного вентильного моста 1-6 равен сумме токов дополнительных вентильных мостов 7-12 и 13-18. Отношение токов определяется отношением чисел витков секций обмотки делителя 23 тока.

Так как токи в обмотке делителя тока являются переменными и накопление энергии в делителе тока не требуется, то его сердечник может быть ' изготовлен без немагнитного зазора, что позволяет при анализе работы пренебрегать намагничивающим током. Соответственно суммарная намагничит вающая сила двух секций равна нулю и токи .в секциях (и, следовательно, в соответствующих дополнительных вентильных мостах) обратно пропорциональны числам витков секций. В целях исключения из тока питания высших гармоник ниже И-й целесообразно выбрать отношение чисел витков секций обмотки делителя,тока равным cos 45° : cos 75° =2,73, что соответствует числу витков сект ций 0,732 и 0,268 от суммарного числа витков обмотки делителя тока.

Рассмотрим интервал работы, когда включены вентили 4, 9 и 14. В этом случае начало 28 обмотки делителя 23 тока соединено через вентиль 9 и зажим 21 с фазой С системы питания, конец 29 обмотки через вентиль 14 и зажим 20 - с фазой В,.а отвод 30 обмотки через нагрузку 27, половину обмотки сглаживающего дросселя 22, вентиль 4 и зажим 19 - с фазой А системы питания. Соответственно, при пренебрежении падением напряжений на включенных вентилях напряжение на обмотке делителя тока равно линейному напряжению питания U_ec,. Обозначая числа витков и напряжения обмотки между зажимами 28, 29 и 30 соответственно W20-2.9 ’ ^28-30 ’ ^30-29 ^И ^20-29 ’ ^и2^-зо ^{и U}30-25 ^можем написать . ^28-30^28-19^18-50^28-19^ (1) ^W3O-29' ^W2«-29^=U30-29'^U20-2.9 ( 2)

Учитывая, что в рассматриваемом интервале U 2.0-29= ^исв > ^а напряжение ^25-ьо Равняется напряжению %-эс А-эо %» ⁺ V»'” с учетом оптимального отношения чисел витков секций ^W28-3o^:_-^W^9_d=0,732:0,268=2,73, получим для мгновенного значения напряжения нагрузочной ветви ^U25-_3O ^{= U}A*. ⁺ ^„+0,268 0^(4)

Если, линейные напряжения U _дв и U_gc синусоидальны,то в рассматриваемом ин5 тервале и мгновенное напряжение нагрузочной ветви изменяется по отрезку синусоиды.

Для получения 12-пульсного режима работы необходимо, чтобы напряжение нагрузочной ветви утроителя формиро- 5 валось из одинаковых отрезков синусоид, одвинутых между собой на 30°. Требуемые сдвинутые синусоидальные полуволны для формирования 12-пульс- . ного режима можно получить выбором 10 подходящих комбинаций включенных вентилей. Например, при включенном состоянии вентилей 4, 8 и 15 напряжение нагрузочной ветви

Uaj-jo = U_4B +U₂i-jo =ИдЬ+0,732 Uec, (5) 45 причем эта новая синусоида отстает от синусоиды, соответствующей предыдущему интервалу работы на 30°, что и J0 требовалось.

Очередность замыкания вентилей 1-18, обеспечивающая 12-пульсный режим работы схемы (фиг. 1) и тем самым утроение частоты тока нагрузки, npnee-jj дена в таблице на фиг. 2.

Изменение величины тока нагрузки осуществляется сдвигом фазы замыкания заданных комбинаций вентилей, а тем самым и фазы тока питания относительно фазы напряжения питания. При этом регулирование возможно как с отстающим, так и опережающим током питания. Временные диаграммы напряжения питания Уд, тока питания i_A и тока нагрузки ί_Μ на фиг. 2 соответствуют пол-35 ностью сглаженному выходному току, равному амплитуде тока i_A, и сдвигу фазы <fy= 60° между напряжением и током питания.

Сдвиг фаз во всех фазах одинаков, т.е. Ψα= = 44 . На фиг. 2 показана также временная диаграмма максимального тока нагрузки t_hrnay, соответствующая сдвигу фазы 44 = 0° .

Регулированию выходного тока от максимума до нуля соответствует изменение фазы 44 в пределах 0-90°. При полностью сглаженном токе нагрузки форма тока питания во всем диапазоне регулирования остается неизмен- jq ной. Соответственно не изменяется и спектральный состав тока питания. В результате того, что ток нагрузки : жестко связан с током питания, его форма также не изменяется , причем г* этот ток имеет прямоугольную форму и ⁴ утроенную частоту. Под действием делителя тока прямоугольный ток через отвод 30, равный току нагрузки разветвляется на два прямоугольных то1$а с амплитудами, обратно пропорциональними числами витков секций обмотки делителя тока.

Положительным свойством предлага мого вентильного непосредственного утроителя частоты является существен ное улучшение спектрального состава, потребляемого из сети переменного тока. Это достигается тем, что в схе ме утроителя применяются два дополнительных трехфазных управляемых вентильных моста и индуктивный делитель тока с отводом , сдвинутым с центра обмотки, Ъ результате чего можно осугществлять 12-пульсный режим работы бе.. !необходимости применения фазопреобразователя или специального входного |трансформатора. Работа индуктивного делителя тока на утроенной частоте способствует уменьшению его массо-габаритных показателей.

Claims (2)

1. Изобретение относитс  к преобраза нательной технике и может быть испол зовано в системах электропитани  утроенной частоты, где требуетс  повышенное качество выходного и входного токов. Известны вентильные непосредствен ные преобразователи частоты, работаю щие в режиме утроени  частоты Однако данные утроител  выполнены в виде мостов на неполностью управл  мых вентил х-тиристорах с естественной коммутацией , что  вл етс  причиной низких технико-энергетических показателей этих устройств. Известен также утроитель частоты/ в который дл  обеспечени  полной управл емости тиристоров ввод т блоки принудительной коммутации 4 . Однако его недостатком  вл етс  пониженное качество потребл емого из сети тока. Наиболее близким по существу технического решени  к предлагаемому  вл етс  устройство, содержащее трех фазный управл емый вентильный мост и дроссель, обмотка которого имеет центральный отвод, причем начало и конец обмотки этого дроссел  соедине ны соответственно к анодной и катодной точкам трехфазного вентильного моста, центральный отвод обмотки соединен к одному зажиму однофазной нагрузки , а другой зажим нагрузки соединен нулевой точкой сети. Дл  придани  вентил м моста свойств полной управл емости здесь используетс  блок принудительной конденсаторной коммутации Г 5 J. Недостатком известного устройства  вл етс  сравнительно плоха  форма потребл емого из .сети тока. Целью изобретени   вл етс  улучшение формы потребл емого из сети тока. Поставленна  цель .достигаетс  тем, что непосредственный утроитель частоты , содержёодий выполненный на полностью управл е1 е х ключах трехфазный мост с включенным на его выходе дросселем , обмотка которого имеет средний отвод, образующий первый выходной вавод дл  подключени  нагрузки, снабжен односердечниковым индуктивным делителем тока, обмотка которого имеет промежуточный отвод, образующий второй выходной вывод дл  подключени  нагрузки, а концы этой обмотки через введенные полностью управл емые ключи переменного тока с двухсторонней проводимостью подключены к каждому из входных выводов упом нутого моста. Наиболее оптимальным отношением чисел витков секций обмотки делител  тока  вл етс  cos cos 75 2,73. В этом случае числа витков первой и второй секций составл ют соответственно 0,732 и 0,2-68 от суммарного числа витков обмотки. Это отличие обеспечивает то, что вентид ьный непосредственный утроитель частоты может работать в 12-пульсном режиме. В результате это го в выходном токе отсутствуют гармоники ниже 12-й, а в токе питани  ниже 11-й, что сопровождаетс  существенным уменьшением искауенности этих токов. На Фиг 1 изображена принципиаль на  схема непосредственного: утрои тел  частоты дл  упрощени  выполнени на двухоперационных тиристорах; на фиг. 2 - временна  диаграмма напр же ни  питани  одной фазы, тока питани  одной фазы и напр жени  нагрузки, а также таблица включенного состо ни  тиристоров. . Утроитель частоты (фиг. 1) содержит трехфазный мост с управл емыми вентил ми (тиристорами) 1-6, два дополнительных трехфазных моста с ,улравн емыми вентил ми 7-12 и 13-18 соответственно, трехфазные, входы гтих мостов соединены к зажимам 19-2 питани , дроссель 22, выполн ющий функцию фильтрации тока и индуктивный делитель 23 тока. Начало 24 и ко нец 25 обмотки сглаживающего дроссе л  подключены к анодной и катодной точкам трехфазного вентильного мост 1-6, а центральный отвод 26 обмотки соединен к одному зажиму бднофазнЬй нагрузки 27. . . ОдМосердечниковый делитель 23 то ка имеет обмотку 1C началом 28, концо 29 и отводом 30. Отвод 30 обмотки делител  23 тока подключен к второму зажиму однофазной нагрузки, начало 28 обмотки подключено к св занным между собой анодной и катодной точкам дополнительного моста 7-12, а к нец 29 обмотки подключен к св за;нным между собой анодной и катодной точкам дополнительного моста 13-18. Предлагаемый непосредственный ут роит(ель частоты работает следующим образом. В каждый момент времени во включенном состо нии наход тс  только три вентил , наход щихс в разных фазах и в разных трехфазных мостах. При этом, когда в основном вентильном мосте. 1-6 включен вентиль катод ной группы, то в дополнительных вен тильных мостах 7-12 и 13-18 включен ные вентили наход тс  в анодной гру пе и наоборот. В результате этого Г основного вентильного моста 1-6 равен сумме токов дополнительных вентильных мостов 7-12 и 13-18. Отношение токов определ етс  отношением чисел витков секций обмотки делител  23 тока. Так как токи в обмотке делител  тока  вл ютс  переменными и накопление энергии в делителе тока не требуетс , то его сердечник может быть изготовлен без немагнитного зазора, что позвол ет при анализе работы пренебрегать намагничивающим током. Соответственно суммарна  намагничивающа  сила двух секций равна нулю и токи .в секци х (и, следовательно, в соответствующих дополнительных вентильных мостах) обратно пропорциональны числам витков секций. В цел х исключени  из тока питани  высших гармоник ниже 11-й целесообразно выбрать отношение чисел витков секций обмотки делител ,тока i равным cos cos 75 2,73, что соответствует числу витков сек|ЦИЙ 0,732 и 0,268 от суммарного числа витков обмотки делител  тока. Рассмотрим интервал работы, когда включены вентили 4, 9 и 14. В этом случае нача по 28 обмотки делител  23 тока соединено через вентиль 9 и зажим 21 с фазой С системы питани , конец 29 обмотки через вентиль 14 и зажим 20 г с фазой В,.а отвод 30 обмотки через нагрузку 27, половину обмотки сглаживающего дроссел  22, вентиль 4 и зажим 19 - с фазой А системы питани . Соответственно, при пренебрежении падением напр жений на включенных вентил х напр жение на обмотке делител  тока равно линейному напр жению питани  Ugc.- Обознача  числа витков и напр жени  обмотки между зажимами 28, 29 и 30 соответственно W20.29 28-30 эо-29 Z8-2Q аВЪО -г 7 можем написать %-30 2в-19 2в-30 Z9-29 ЗО-29 2.в-Я19 зо-29 гв-2.9- (2) Учитыва , что в рассматриваемом UCB, а напр жение интервале 1)2.0-2.9 U- равн етс  напр жению VJ3) %-30 А-30 с учетом оптимального отношени  чисел витков секций V3o/ «-2« 2 получим дл  мгновенного значени  напр жени  нагрузочной ветви 25-30 АР. +. идв+0,268и(4) Если, линейные напр жени  U д0 и (Igf. синусоидальны,тов рассматриваемом ийтервале и мгновенное напр жение нагрузочной ветви измен етс  по отрезку синусоиды. Дл  получени  12-пульсного режима работы необходимо, чтобы напр жение нагрузочной ветви утроител  формировалось из одинаковых отрезков синусоид , сдвинутых между собой на 30. Требуемые сдвинутые синусоидальные полуволны дл  формировани  12-пульсного режима можно получить выбором подход щих комбинаций включенных вен тилей. Например, при включенном состо нии вентилей 4, 8-и 15 напр жение нагрузочной ветви игу-эо Urt5+0,732 Uec, (5) причем эта нова  синусоида отстает о синусоиды, соответствующей предыдущему интервалу работы на 30, что и требовалось. Очередность замыкани  вентилей 1-1 обеспечиваклца  12-пульсный режим работы схемы (фиг. 1) и тем самым утроение частоты тока нагрузки, прив дена в таблице на фиг. 2. Изменение величины тока нагрузки осуществл етс  сдвигом фазы замыкани заданных комбинаций вентилей, а тем самым и фазы тока питани  относитель но фазы напр жени  питани . При этом регулирование возможно как с отстающим , так и опережающим током питани  Временные диаграммы напр жени  питани  ид, тока питани  д и тока нагрузки i на фиг. 2 соответствуют по ностью сглаженному выходному току, равному амплитуде.тока 1д, и сдвигу фазы fд 60° между напр жением и токоМ питани . Сдвиг фаз во всех фазах одинаков, т.е. Рд . На фиг. 2 показана также временна  диаграмма макси мального тока нагрузки (ц.ах соответствующа  сдвигу фазы « 0° . Регулированию выходного тока от максимума до нул  соответствует изменение фазы Ч в пределах О-ЭО. При полностью сглаженном токе нагруз ки форма тока питани  во всем диапазоне регулировани  остаетс  неизменной . Соответственно не измен етс  и спектральный состав тока питани . В результате того, что ток нагрузки : жестко св зан с током питани , его форма также не измен етс  , причем этот ток имеет пр моугольную форму и утроенную частоту. Под действием делител  тока пр моугольный ток чере отвод 30, равный току нагрузки,разветвл етс  на два пр моугольных с амплитудами, обратно пропорциональ ными числами витков секций обмотки делител  тока. .Положительным свойством предлага мого вентильного непосредственного утроител  частоты  вл етс  существен ное улучшение спектрального состава, потребл емого из сети переменного тока. Это достигаетс  тем, что в схе ме утроител  примен ютс  два дополнительных трехфазных управл емых вентильных моста и индуктивный делитель тока с бтводом , сдвинутым с центра обмотки, Ъ результате чего можно осуг ществл ть 12-пульсный режим работы бе. необходимости применени  фазопреобразовател  или специального входного jтрансформатора. Работа индуктивного . делител  тока на утроенной частоте способствует уменьшению.его массо-габаритных показателей. Формула изобретени  Непосредственный утроитель частоты , содержащий выполненный на полностью управл емых ключах трехфазный .мост с включенным на его выходе дросселем , обмотка которого имеет средний отвод, образующий первый выходной вывод дл  подключени  нагрузки, о тличающийс  тем, что, с целью улучшени  фор11вл тока, потребл е-, мого от питающей сети, он снабжен односердечниковым индуктивны.делителем тока, обмотка которого имеет промежуточный отвод, образующий второй выходной вывод дл  подключени  нагрузки , а концы этой обмотки через введенные полностью управл емые ключи переменного тока с двухсторонней проводимостью подключены к каждому из входных выводов упом нутого моста . Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Чалый Г.В. и Маевский О.А. Вентильные бестрансформаторные умножите ли частоты. - Электричество, 1969, №7. 2L , Патент Швейцарии 479978, кл. Н 02 m 5/22, 1968. 3.Патент Англии 1004294, kл. Н 2 F, 1965. 4.Авторское свидетельство СССР 565361, кл, Н 02 М 5/27, 1974. 5. Коробан Н.Т., Мастаев Н.Э. и ыцык Г.С. Сравнительный анализ переаточных характеристик полностью упавл емых преобразователей частоты непосредственной св зью с различным ислом входных фаз. - В кн.: Повышеие эффективности устройств преобраовательной техники, часть
2. 2. Киев, Наукова думна, 1972, с. 215, ис. 3,6.

   ЛВС

   Kf J