Способ дискретного регулирования частоты и непосредственный преобразователь частоты

,80110069 СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК А ЗСЮ Н 02 М 5/27 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Иь,ы ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(7 1) Физико-энергетический институт . АН Латв ССР(56) 1. Авторское свидетельство СССР Оф 653700, кл. Н 02 М 5/27, 1972.2, Крогерис А, и др. Полупроводниковые преобразователи электрической энергии. Рига, "Знание", 1969, с.376.3. Авторское свидетельство СССР В 705618, кл. Н .02 М 5/27, 1976,4. Авторское свидетельство СССР В 600674, кл. Н 02 М 5/27, 1970.(54)(57) 1. СПОСОБ ДИСКРЕТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ, заключающийся в циклическом подключении поочередно следующих эквивалентных входных фаз к нагрузке на определенные, одинаковые промежутки времени, задании тех значений частот выходного напряжения преобразователя, при которых периоды повторения входного и выходного напряжений имеют общее наименьшее делимое, и в последующем преобразовании частоты согласно предварительно составленной для каждого зна- чения выходной частоты программы переключения ключей преобразователя, синхронизированной с определенной фазой входной системы напряжений преобразователя, о т л и ч а ю щ и й " с я тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения, напряжение подключаемой эквивалентнойвходной фазы суммируют с дополнительным напряжением отстающей фазы с нарастающей по полупериодам входнойчастоты амплитуды, задаваемой,изусловий максимального приближениясуммарного напряжения к моногармоническому напряжению заданной выходнойчастоты. 2. Непосредственный преобразователь частоты, содержащий тирнсторные мосты, встречно-параллельно включенные тиристоры которых связывают каждый фазный и нулевой входные выводы Е с каждым выходным выводом.преобразователя, и блоки реализации программы управления, включающие в себя компаратор, счетчик импульсов, дешифраторы и распределители импульсов, и о т. л и ч. а ю щ и й с я тем, что,с целью улучшения качества преобразованного напряжения за счет уменью шения его коэффициента гармонииввыходную цепь каждой фазы преобраэо- гафию вателя введен регулятор напряжения, Ж выполненный в виде трансформатора, СФ концы и промежуточныеотводы вторич ь ной обмотки которого через управляющие ключи переменного тока подключе-, ны к одному выходному выводу этогомоста, а его первичная обмотка подключена к выходным выводам тиристор ь ного моста соответствующей соседней фазы преобразователя;1 1100694 1Изобретение относится к преобразо- фаз к нагрузке на огределенные, одивательной технике и может быть исполь Маковые промежутки времени, заданииэовано в частотно-регулируемом элек- . тех значений частот выходного напря-троприводе, с дискретными ступенями жения преобразователя, при которыхизменения частоты выходного напряже- периоды повторения входного и выход 5ния преобразователя с естественной ного напряжений имеют общее наименькоммутацией тиристоров, шее делимое, и в последующем преобраИэвестен способ управления непос- эовании частоты согласно предварительредственным преобразователем частоты, но составленной для каждого значе.согласно которому преобразование пе п ния выходной частоты программы переременного напряжения одной частоты ключения ключей преобразователя, синхнепосредственно в другую осуществля- ронизированной с определенной фазойют дискретными ступенями, при которых . входной системы напряжений преобрапериоды повторения входной и выход- зователя, напряжение подключаемой ной частот имеют общее наименьшее де эквивалентной входной фазы суммирулимоеи управление преобразованием ют с дополнительным напряжением отчастот осуществляют по заранее сос- стающей фазы с нарастающей.по полутавленным отдельным программам пода- периодам входной частоты амплитуды, чи импульсов на тиристоры 1 1 3 задаваемой из условий максимальногоНедостаток этого способа - ограниб приближения суммарного напряжения к ченные возможности выбора значений моногармоническому напряжению задан- входного напряжения преобразователя . ной выходной частоты. для формирования выходного напряжения Предлагаемый способ не может быть требуемой частоты, величины и фазно- реализован известными схемами преобго сдвига, особенно при естественных 25 раэователей. коммутациях преобразователя. Известен преобразователь, имеюНаиболее близким по технической щий ш-фазный трансформатор с двумя сущности к предлагаемому является комплектами вторичных обмоток, подспособ циклического переключения вход- ключением которых на выходе преобраных фаз преобразователя (способ квази зователя поочередно формируют выхододнополосного преобразования часто- ное напряжение обеих полярностей, ты), заключающийся в поочередном Использование этой схемы преобразоваВподключении к нагрузке на одинаковые теля позволяет получить на выходе промежутки времени сдвинутых по фа- шесть эквивалентных входных фаз презе величин входного напряжениями 3. образователя 3 3.Недостатком известного способа Однако этот преобразователь не35является то, что в каждый момент вре- может обеспечить последовательное мени только одна величина входного включение данных входных напряжений напряжения принимает участие в форми- и ступенчатое регулирование их знаровании выходного напряжения преобра- чений, что необходимо для осуществле 40зователя, и так как частоты заданно- ния предлагаемого способа. го и входного напряжений различны, Наиболее близким к предлагаемому то и кривые заданного и выходного является непосредственный преобразонапряжений имеют значительные отличия ватель частоты с искусственной комму- по фазе, что особенно наблюдается45тацией тиристоров, имеющий ш-фазные при естественной коммутации тиристо- тиристорнье мосты, связывающие ш ров преобразователя. входных вывбдов преобразователя с,.егоЦель изобретения - улучшение ка- . выходными выводами, а также встречночества выходного напряжения, т.е. параллельно включенные тиристоры, уменьшение в выходном напряжении пре- через которые каждый из выходных вывообразователя гармонических составля- дов преобразователя соединен с допол 50.ющих, не соответствующих заданной нительным ш+1 входным выводом, подклювыходной частоте. чаемым к нулевой точке питающей сеПоставленная цель достигается тем, ти 43.что согласно способу дискретного ре- . Данная схема позволяет подключить гулирования частоты (непосредствен к нагрузке поочередно следующие вели- ного преобразователя частоты), состоя- чины входного напряжения, однако не щему в циклическом подключении пооче- позволяет осуществить последователь- редко следующих эквивалентных входных ное их включение, поэтому известное94 4 3 11006устройство также не может реализовать предлагаемый способ.Цель изобретения - улучшение качества выходного напряжения.Поставленная цель достигается тем,что в непосредственном преобразователе частоты, содержащем тиристорныемосты, встречно-параллельно включенные тиристоры, которых связывают каждый фаэный и нулевой входные выводы с 10каждым выходным выводом преобразователя, и блоки реализации программыуправления, включающие в себя компаратор, счетчик импульсов, дешифраторыи распределители импульсов, в выходную цель каждой фазы преобразователявведен регулятор напряжения, выполненный в виде трансформатора, концыи промежуточные отводы вторичной обмотки которого через управляемыеключи переменного тока подключены к,одному выходному выводу этого моста,а его первичная обмотка подключена квыходным выводам тиристорного мостасоответствующей соседней фазы преобразователя.На фиг. 1 приведена схема предлагаемого преобразователя; на фиг.2-4 -временные диаграммы, поясняющиеработу преобразователя; на фиг. 5 -блок-схема системы управления преобразователя,Преобразователь (фиг. 1) содержит силовые входные выводы 1-4,образованные выводами переменного тока 35 мостов, например моста 5, одной фазы нагрузки 6, которые подключают соответственно к фаэным напряжениям и к нулевому выводу источника питания соответственно. Последовательно с 40 нагрузкой 6 включен регулятор 7 переменного напряжения, первичная обмотка 8 трансформатора которого подключена к выходным выводам тиристорного Гмоста соседней выходной фазы преобразователя. Регулятор 7 совместно с мостом 5 образует фазный комплект 9 преобразователя. Фазные комплекты двух других фаз нагрузки обозначены цифрами 10 и 11. Тиристоры 12-15 моста 5 обеспечивают подключение входной фазы 1 к одному (левому) выводу фазы нагрузки 6 и нулевой вывод 4 - к другому (правому) ее выводу, причем с помощью тиристоров 14 и 15 - отри-. 55 цательное направление. Аналогично с помощью тиристоров 16, 17 и 18, 19 йрцключают входную фазу 3, причем заФ г счет первой пары тиристоровооеспечивают положительное направление, а с помощью второй пары - отрицательное направление тока нагрузки,Тнристоры 20-27 регулятора 7 напряжения обеспечивают подключение нулевой, первой, второй, третьей ступенейрегулирования напряжения, причем тиристоры с четными номерами включаютпри формировании отрицательного направления тока нагрузки, а тиристорыс нечетными номерами - при формировании положительного направленияэтого тока,На фиг, 2 приведены 01- кривыевходного напряжения, которые можноподключить на выводы тиристорныхмостов выходных фаэ преобразователя(или эквивалентные входные фэзы1 2 3 4 с сУ Ф 9кривая заданного или эталонного напряжения одной выходной фазы преобразователя при четырех полупериодах подключения каждой эквивалентной входнойфазы на выводы соответствующего тиристорного моста с заданной выходной частотой, равной 46, 15 Гц, при входнойчастоте преобразователя, равной50 Гц; ДП - кривая мгновенной разности напряжений между заданным напряжением Б и поочередно подключенными,например "1", "2", и т.д., входныминапряжениями на выходные выводы тиристорного моста; НЭ(0,21Э(О,Ц фц ц ( - кривые дополнительного входного напряжения "3" и"4", последовательно включаемые вцепи тиристорный мост " нагрузкачерез регулятор напряжения. Указанные в скобках значения дополнительных входных. напряжений "3" или "4"указывают степень регулирования напряжения, подаваемого через трансформатор от тиристорного моста циклически следующей входной фазы преобразователя, и примерно равное кривой разности напряжения ЬН; У , -результирующая кривая выходного напряжения преобразователя, подаваемая.на фазу нагрузки преобразователя иполученная включением напряжения отвыхода тиристорного моста соответствующей выходной фазы последовательно с дополнительным регулированиемпо величине напряжением с выхода регулятора напряжения. На фиг, 3 приведены кривые формирования трехфазного выходного напряжения преобразователя при пяти полупериодах подключения каждой поочередно следующей эквивалентной входной фазы на выводы тиристорного моста с,заданной выходной частотой 5 46, 88 Гц, где кривые, обозначенные цифрами "1" до "6", аналогичны кривым, приведенным на фиг. 2, и где регулятор напряжения имеет четыре ступени регулирования дополнительного напряжения. 0 , Ц , 0 э - кривые эталонного напряжейия трех выходных фаз преобразователя; 0., 04Одев кривые дополнительных, регулируемых . по величине напряжений, последователь 15 но включаемых в выходной цепи соответствующей Фазы преобразователя.На фиг. 4 приведены кривые выходного напряжения и тока 0 Вых 1ему . первой фазы совместно с импульсами управления 0 тиристорами этой фазы преобразователя, а также кривая напряжения на тиристорном мосту второй выходной фазы преобразователя 0 вых, причем 28-37 моменты подачи импуль-, 5 сов управления.На фиг. 5 приведен пример выполнения,блок-схемы системы управления, который содержит следующие блоки: компаратор 38, связывающий реализациюзо программ подачи импульсов с определенной фазой входной, системы управления; управляемый ключ 39; генератор 40 прямоугольных импульсов с частотой на порядок большей, чем входная частота преобразоватещц двоичный счетчик 41, который ведет счет импульсов генератора управления; дешифратор 42 импульсов повторения счета счетчиком 41; дешифраторы 43-45 импульсов управле О ния тиристорами преобразователя соответственно в трех выходных фазах преобразователя; распределители 46-48 импульсов управления по тиристорам преобразователя; блоки 49 усиления 4 импульсов управления тиристоров трех выходных фаэ преобразователя; счетчик 50 числа периодов входного напряжения; блок 51 сброса информации после реализации программы подачи импульсов управления тиристорами преобразователя. Уменьшение в выходном напряжении преобразователягармонических составляющих, не соответствующих заданной выходной частоте, по данному способу, реализуется при помощи устройства (фиг. 1) следующим образом. Известно, что путем фазного сдвига одного из последовательно включенных источников переменного напряжения можно регулировать результирующую величину переменного напряжения. Однако если в этом способе регулирования напряжения поменять местами функции фазного сдвига и регулирования напряжения, то путем регулирования величины напряжения можно изменить фазный сдвиг результирующего напряжения, полученного путем последовательного включения переменных напряжений разных фаз. Как видно из фиг. 2, при поочередном подключении к нагрузке (например кривые 0, 0, ) на определенные промежутку времени каждой эквивалентной входной фазы постепенно появляется мгновенная разница напряжения 30 между заданным напряжением 01 соответствующей частоты и подключенными входными напряжениями 0, 0. и т.д, Для компенсации этой разницы включают последовательно с основным подключенным к нагрузке напряжением 01,0 и т.д. дополнительное напряжение от другой эквивалентной входной фазы, т.е. сдвинутой по фазе относительно основного входного.напряжения. Так, например, для компенсации разницы Д 0 напряжений 0и О. последовательно с напряжением О., включают напряжение 0 , значение которого увеличивают, например 0,2;0,5; 0,7 от 0 , помере увеличения разности напряжений заданного 0н подключенного 01, 02 и т.д. Как видно из фиг. 2, дополнительное компенсирующее напряжение 0 сдвинуто по Фазе относительно напряжения 0 и по мере увеличения значения компенсирующего напряжения можно постепенно регулировать фазный сдвиг результирующего напряжения на нагрузке как сумму двух переменных напряжений разных фаз и значений напряжения. В результате такого последовательного включения, суммарное напряжение 0 на нагрузке по фазе и величине больше соответствует заданному напряжению требуемой частоты по сравнению с применением только одного подключенного к нагрузке напряжения, например 0 и 0 (фиг. 2), Следовательно, применеиие предлагаемого способа уменьшает потери энергии, путем уменьшения в выходном напряжении гармонических составляющих, не соот.ветствующих заданной частоте напря. -жения преобразователя. Как видно иэфиг. 3, предлагаемый способ таким жеобразом реализуется при преобразовании трехфазного выходного напряжения преобразователя. Для реализациипредлагаемого способа требуется последовательное включение двух эквивалентных входных фаз, что осуществляется в предлагаемом устройствепоследовательным включением в цепь .тиристорный мост 5 нагрузка 6 регулятора напряжения 7, как это показано на фиг. 1. Регулятор напряжения 7 позволяет любым из известных 15способов регулированиянапряженияменять постепенно значение последовательно включенного дополнительно"го напряжения. Как это видно нафиг, 2, кривая 0 со значениями 200,2; 0,5; 0,7, а также кривые 00 со значениями 0,20; 0,35;0,50; 6,65, при помощи которых разница между заданным напряжениемсоответствующей частоты и суммарнымвходным напряжением 0 цстремитсяк нулю.Как видно из фиг. 2 и фиг. 3, разница ЬО заданного и подключенного .навыходе тиристорного моста напряжения 30близки по фазе с входным напряжением11 , подключенным в этом время на выходе тиристорного моста второй выходной фазы преобразователя.Процесс преобразования частотынепосредственного преобразователя сестественной коммутацией тиристоров,согласно предлагаемому способу, сформированием выходного тока частотой46, 15 Гц изображен на фиг. 4. С 40целью уменьшенйя разницы между эталонным напряжением 0 1 и подключен-ным входным напряжением 01, последовательно с напряжением 0 включаютДополнительное регулируемое по зна"мое от тиристорного моста второйвыходной фазы преобразователя,В момент времени 28 включают ти- ф 0 ристоры 12, 21, 13 (фиг. 1). Приложенное к нагрузке 6 положительное напряжения 0 образует выходной ток 1 ь(фиг. 4). В момент временй 29 включают тиристор 23, вследствие че го к выходному напряжению 0, суими руется дополнительное напряжение 0 со значением 0,25 от номинального,т.е. вводится в действие первая ступень регулирования напряжения. В момент времени 30 включают тиристоры 14, 22, 15 с целью образования отрица-. тельной полуволны тока. В момент времени 31 в выпрямительном режиме работы преобразователя увеличивают значение дополнительного напряжения от 0,25 до 0,5 включением тиристора 24 регулятора напряжения. В момент времени 32 в пределах прекращения отрицательного выходного тока включают тиристоры 12, 25, 13. В момент времени 33 открыванием тиристора 27 включают третью ступень регулирования дополнительного напряжения со значением 0,7 от номинального. В момент времени 34 включают тиристоры 14, 26, 15, для образования отрицательной полуволны тока. В течение всего времени подключения каждой эквивалентной входной фазы, в данном случае 0, рекомендуется подавать непрерывные управляющие импульсы на тиристоры 12-15, а переходы с одной ступени регулирования напряжения на другую в регуляторе напряжения осуществлять в выпрямительном режиме. Для обеспечения надежной раздельной работы тиристорных групп различной проводимости преобразова" теля после окончания подключения одного входного напряжения, например 0, в момент времени 35 требуется создать паузу отсутствия проводимости (несколько сот микросекунд), после чего можно подключить следующую эквивалентную входную фазу, например "2", в момент времени 36 включениемф тиристоров 18, 21, 19 и повторить, весь цикл подключения. Как видно из фиг. .1, первичная обмотка 8 трансформатора выходной фазы 9 подключена к тиристорному мосту выходной фазы 10, первичная обмотка 8 трансформатора выходной фазы 10 подключена к тиристорному мосту выходной фазы 11, а первичная обмотка трансформатора вы ходной Фазы 11 подключена к тиристорному мосту выходной фазы 9, Резулвтаты работы предлагаемой схемы подключения корректирующих напряжений показаны также на фиг. 3, кривые Ода, 5 ЪьСистема управления для осуществления предлагаемого способа работает 1следующим. образом.Компаратор 38 выявляет начало по"ложительного полупериода входного,8 9,73 00 49.49 48,2148,39 9,напряжения одной фазы. Управляемыйключ 39 привязывает импульсы генератора 40 прямоугольных импульсов квходному напряжению, чем осуществляется умножение яастоты. Двоичный 5счетчик 41 ведет счет импульсов, поступивших от ключа 39. Дешифратор 42выдает импульсы повторения счетасчетчиком 41 после. поступления от клю.ча 39 количества импульсов, равных 1 Опо продолжительности полупериодувыходного напряжения, Блоки 43-45 дешифруют импульсы согласно заданныммоментам открывания тиристоров преобразователя соответственно в трех 15выходных Фазах преобразователя. Распределители 46-48 распределяют дешифрованные .импульсы по тиристорам,а блоки 49 осуществляют усилениеимпульсов. Для уменьшения влияния помех и исключения возможных возникающих ложных импульсов введены блоки ф50 и 51. Блок 50 осуществляет за счет заданного числа периодов входного напряжения, после чего дешифра тор 51 импульса сброса осуществляет сброс всей ранее записанной инфор,мации.Вьппе указанньпк способом можно преобразовать частоту выходного нап ряжения преобразователя с естественной коммутацией тиристоров, работая в диапазоне выходных частот, близкихк входной частоте.В таблице приведен ряд значений,применяемых для регулирования частоты.:Ожидаемый технический эффект пред,лагаемого способа и устройства дляего реализации в сравнении с базовымзаключается в улучшении формы кривой выходного напряжения запаннлбчастоты, т.е. он позволяет уменьшитьв выходном напряжении преобразователягармонические составляющие, не соответствукппие заданной выходной частоте,вследствие чего уменьшаются потериэнергии в потребителе. Кроме того,согласно предлагаемому способу иустройству для его реализации, можнодобиться сииусоидального выходногонапряжения заданной частоты, поскольку суммирование нескольких синусоидальных напряжения регулируемыхпо фазе и по. значению в результатедают также синусоидальное напряжениеТакой результат получен без применения искусственнык коммутаций тиристоров преобразователя, и коэффициентмощности преобразователя высокий,поскольку напряжение регулируют восновном не фазовь 1 м способом, аиспользованием нанагрузку по полупериодам разных значений входногонапряжения преобразователя,