Преобразователь частоты

(19) 1) 4 Н 02 М 545 ГОСУДАРСТВПО ИЗОБРПРИ ГКНТ С ЕННЫЙ КОМИТЕТ ЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМОПИСАНИ Т 0 С 0 У юл. эне тический инстиротехнический ыи эле .И,Лен в, Г.С(088,8)свидетельст02 М 7/537 о СССР1971,е преобра-.ты. М.: зис зователи напряжения Наука, 1966, с, 60.Сандлер А.С Гу сторные инверторы с ной модуляцией. М,; с 73 т(54) 1 РЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ (57) Изобретение относится к области электротехники и м,б, использовано в системах автоматики. Цель - расширение частотного диапазона и улучшение спектрального состава выходного напряжения, Преобразователь частоты может быть выполнен, например, с трехфазным выходом, т,е. содержать три преобразуэлчих канала 1,1-1,3. Каждый -й канал выполнен в внде последовательно соединенных вторичной обмотки 2.1, мостового выпрямителя 3.1 с конденсатором 4. на выходе и трех однофазных мостовых инверторов 5.1, 6., 7.з. Суммирование выходных на- Я пряжений инверторов фазных групп осуществляется либо параллельным (приКорректор С.йекмар аказ 2554/53 , Тираж 64НИИПИ Государственного комитета по и113035, Москва, Ж,и ГК ат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 Производственно-издательский к Подписное бретениям и открыти аушская наб., д. 4/1480060 реализации сильноточного выхода),либо последовательным (при реализациивысоковольтного выхода) соединениемвыходов инверторов, Для эффективного Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах автоматики и электропривода.Цель изобретения - расширение частотного диапазона и улучшение спек трального состава выходного напряжения.Ка Аиг. 1 приведен пример выполнения преобразователя с трехфазным . выходом (ш=З) при числе каналов в 10 каждой Аазе п=З; на .Фиг, 2 показаны временные диаграммы, иллюстрирующие принцип уменьшения влияния пульсаций выпрямленного напряжения на выходное напряжение преобразователя по Фиг.1; 15 на Аиг. 3 - возможная модийикация трехканального (п=З) преобразователя с трансАорматорным одноАазным выходом (а) и блок-схема системы его управления (б); на Фиг, 4 - временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя по Аиг. 1 и 3; на фиг.5- принципиальная блок-схема системы управления преобразователем по Аиг,1 (с п=т=З); на Аиг, 6 - силовая часть предложенного преобразователя, вторая модификация; на Фиг. 7 - то же, третья модификация.Преобразователь частоты (Аиг. 1) содержит три трехфазных преобразующих канала 1,1-1,3, каждый х-й канал которого (где =1,3) выполнен в виде последовательно соединенных вторичной обмотки 2,1 (2.1-1.3), мостового выпрямителя 3. (3,1-3.3) с конденса тором 4,х (4.1-4.3) на выходе и треходнофазных мостовых инверторов 5.1 (5.1-5,3), б.ь (6.1-6.3), 7.ь (7.1- 7,3). Одни одноименные по полярности выходные выводы инверторов фазной 40 группы, например 5.1-5,3, Формирующей напряжение одной фазы, объединены между собой и с аналогичными точками объединения выходных выводов инверторов других фаз в нулевую точку "0". 45 подавления пульсаций, обусловленных выпрямлением сетевого напряжения на входах инверторов установлен Фильтр трансформатор 35. 3 з,п. Ф-лы, 7 ил. 2преобразователя, Другие выходные выводы инверторов каждой Аазной группы через обмотки, расположенные на и (в данном примере на трех) стержнях замкнутых магпитопроводов 8-10, подключены к соответствующему -му выходному выводу А, В, С преобразователя. Вторичные обмотки 2,1-2,3 могут быть расположены на общем магнитопроводе или на разных, как показано на Аиг, 1, магнитопроводах, В последнем случае магнитопроводы трех трансформаторов и их первичные обмотки (по схеме соединения и по числу витков) выполняют идентичными. Инверторы каждой фазной группы, например 5,1-5,3, выполнены по мостовок схеме на транзисторах 11,з.-14.1. Для уменьшения влияния пульсаций выпрямленного напряжения на выходное напряжение преобразователя дополнительные вторич. ные обмотки 2,2, 2,3 выполнены так, что их одноименные по фазному индексу ь (результирующие) напряжения последовательно сдвинуты по Фазе на2 Т 2 д Тугол в . - = -- = - между собой и от-Я и 6 3 9носительно напряжения основной вторичной обмотки. Кеобходимый фазовый сдвиг в общем случае может быть обеспечен на основе использования двух комплектов вторичных обмоток 17.1, 18,1 (в каждом дополнительном канале)тс числами витков У е и Ыд , соединенных по схеме "зигзаг" (Фиг, 1), где 1=1,(п) - номер дополнительной обмотки (в примере на фиг, 1 п=З, а 1=1; 2). Числа витков ЫеЕ и 11 ееЕ двух комплектов 1-й дополнительной обмотки в долях от числа витков 1 Уее основной вторичной обмотки 2,1 выбирают соответственно из соотношений:2 Ите 2Г т 1 иие(" 1) Зг 3Р "ц -13 " " О)= - здп 1 -ГзВ конкретном случае на Фиг. 1йп=З числа витков И , 11 обмотокиф 1117,1, 18,1 и числа витков 1 ьп, Иобмоток 17,2, 18.2 соответственноравны:л 10- ,1 п1, . 11 зпп г ч 1 гф п 9 н2, Т,2 . 21=Чп согласно (2) требуемый последовательный Фазовый сдвиг - между9аналогичными фазными напряжениямитрех вторичных обмоток может бытьобеспечен иначе - за счет использования иного соединения комплектов второй дополнительной обмотки 2.3, аименно по схеме "обратный зигзаг",как показано на Фиг, 1, при этомдостаточно лищь выполнить условия11=1 п, и 1 п =11Благодаря описанному выше выполнению обмоток 2,1-2.3, питающих выпрямители 3.1-3.3, и суммированию их30на соответствующем этапе преобразования (после инвертирования) результирующую пульсность Б 1 1 в выходном напряжении преобразователя по сравнению с пульсностью 81,1 выпрямленногонапряжения одного канала можно увеличить в и раз (с соответствующимуменьшением величины пульсаций)Впримере на Фиг. 1 и 2 81,1=8,1 п=б 3==18.40Суммирование выходных напряженийинверторов Фазных групп может бытьосуществлено двумя путями: либо последовательным (при реализации высоковольтного выхода), либо параллель 45ным (при реализации сильноточноговыхода) соединением выходов инверторов (каналов). Если в последнем случае суммирование осуществляется наоснове использования так называемогоФильтра-трансформатора (фТ), то форма выходного напряжения независимоот вида суммирования остается однойи той же.Блок управления (Фиг. Зб) содержит последовательно соединенные задатчик 18 тактовой частоты, трехразпяпный регистр 19 сдвига и трехканальный управляемый модулятор 20ширины импульсов, выполненный, например, в виде трех формирователейразвертывающего напряжения (ФРН)21,1-21,3 и трех компараторов 22,122,3 с выходными сигналами К;, На управляющие входы компараторов подаютсигнал Г от задатчика 23 эталонногонапряжения (ЗЭН), который в .астномслучае может быть синхрониз,рован отблока 8 (возможная связь показанапунктиром), Для фиксации моментовизменения полярности сигнала Г используют преобразователь 24 Формы сигнала (Пй) с парафазным выходомиреализующий Функцию У=зддп Г(Фиг, 5),Сигналы ф и 9 с его выходов черезусилительно-развязывающий узел поступают на управляющие входы транзисторов 11.х, 12.1. одного полумостакаждого -го иннертора 5. На управляющие входы двух транзисторов 13.1,14. другого полумоста д-го инвертора подают соответственно сигналы(1, с соответствующего логического узла (ЛУ;) 25 На входы логических узлов подают сигналы с преобразователя 24 Формы и с компараторов 22,д. Логические узлы реализуютфункцию (2)) =фК +фКи выполнены (в конкретном примере) в виде двух двухвходовых логических элементов 2 И 26,х, 27,1, первого логического элемента НЕ 28., двухвходового логического элемента 2 ИЛИ 29.1 и второго логического элемента НЕ 30.1 (индекс =1; и - это номер канала),Блок управления (БУ) для преобразователя с трехфазным выходом строится на основе БУ с однофазным выходом с той лишь особенностью, что вместо узла ЗЭН 23 с однофазным выходом устанавливается узел 31 с трехфазным выходом (Фиг, 5), так что в качестве задающего выступает уже не один сигнал Р, а три сдвинутых между собои последовательно по фазе на уголсигнала РА, Р, Р . Узлы 18, 19, 21,1-21,3 не требуют тиражирования, а совокупность узлов 32, очерченная на Фиг, 4 пунктиром, тиражируется дважды (33, 34).Если принять, что выходная частота преобразователямного меньше частоты Г, питающего напряжения,то Фрагменты напряжений У дОАз (наТинтервалах 61= -"-) будут иметь вид6напряжений 111, -11 С 1 на выходе выпрямителей 3,1-3,3 (без учета фильтрующего действия конденсаторов 4,14,3),При последовательном соединениивыходов инверторов (Фиг, 7) 3-й фазной группы электромагнитные узлы8-10 не требуются, я выходное Фазноенапряжение 11 преобразователя науказанном интервале будет иметь видсуммы напряжений и каналов (Фиг, 2).Пульсирующее с частотой 18 й 4 напряжение 11 А на фиг. 2 показано пунктиром, Никаких особенностей в работувыпрямителей 3.1-3,3 последовательное соединение не вносит,Благодаря наличию узлов 8-10 в лю.бой момент времени в проводящем состоянии находятся вентили всех п выпрямителей, т.е, последние работаютв этом случае точно так же, как ипри последовательном соединении выходных каналов,К обмоткам узла 8, например,клддываются напряжения ЗА,дф 11 ддф11 АА (Фиг, 2), представляющие собойразность между выходным (Фазным) напряженнем 11 О преобразователя и напряжением ня выходе соответствующегоинвертора.Разностное напряжение 11 д показано на Фиг, 2 дважды - на отдельнойвременной оси и штриховкой на диаграмме 11 д =Й(г) .Параллельное суммирование характеризуется также тем, что полезная(в данном случае постоянная) составляющая У,1- выходного напряжения остается равной полезной составляющей11, 1-го какала, а максимальное егоООзначение П несколько меньше максиб Ямального значения П 1;,-го канала(Фиг. 2),приРабота блоков 33, 34 полностью аналогична работе блока 32,В выходных сигналах 1 в 1 нан) 141фиг, 5 дополнительно к индексухарактеризующему номер канала, введениндекс 1=А, В, С, характеризующийпринадлежность блоков 32-34 соответствующей Фазе преобразователя,Как видно из Фиг. 2, напряжения11, Ц, , 11 Адна обмотках узла 8 образуют трехфазную систему. Из рас 5смотрения узла 8 с позиции трансформатора следует, что по отношению кэтим напряжениям он находится в режиме холостого хода, представляя дляних большое сопротивление. Проявляю 10 щиеся таким образом Фильтрующие свойства этого узла дают основание называть его фильтром-трансформатором(фТ),Диаграммы на фиг. 4 поясняют рабо 15 ту силовой части преобразователя пофиг, За и его блока управления пофиг, Зб, Используемые при напряженияхО(р) индексы (р) отражают принадлежность их соответствующему узлу или20 точкам схемы: 11 - сигнал (напряжение)на выходе задатчика 18 тактовойчастоты; П -Пвыходные сигналытрех каналов регистра 19 сдвига;Ц, - выходные сигналы трех фор 25 мирователей развертывающего напряжения (ФРН) 21,1-21,3, которые в зависимости от исполнения компараторовмогут быть либо разнополярными, либооднонолярными, В последнем случае30 сравнение сигналов ФРН и задающегоосуществляют по модулю; ЦцАвыходные напряжения инверторов 5,11110 АЗ 110 А- выходные напряженияпреобразователя соответственно припоследовательном (фиг, 7) и параллельном (фиг. За) соединениях выходовинверторов 5. 1-5,3 11 дд Одгд АМнапряжения на обмотках Фильтра-транс 40 формятора Ун(4ялгоритмы переключения ключей инвертора 5,1(Фиг, За); П -11 - прямой и инверсИ.ный сигналы на выходах компаратора22,1 и логического элемента НЕ 28,45 Напряжения 11 од, (где =1; и) навыходе инверторов 5.х Формируются врезультате сравнения в компараторе22. -го развертывающего напряженияГ с задающим 11 зи соответствующей50 логической обработки в -м логическом узле 25., с которого сформированные сигналы (1 и,-(4, поступают(после предварительного усиления игальванической развязки) на управля 55 ющие входы транзисторов 11.1-14,динвертора 5.1.В примере на Фиг. Зб сигналы (,и у снимают с преобразователя 24иФормы (ПФ), выполняющего функцию дат 1480060чика полярности задающего напряженияБ и выполняемого обычно на базеоперационных усилителей,При выбранном на фиг, 4 соотношении частот развертывающего и задающего сигналов, равном 3, ближайшей почастоте гармоникой в напряжении БА,является 5-я гармоника (относительночастоты выходного напряжения), показанчая на фиг, 4 пунктиром. С увеличением кратности частот развертывающего и задающего сигналов рабочаячастота ФТ возрастает и, следовательно, массогабаритные показатели (ФТ) 15будут улучшаться,Функциональная характеристика регистра 19 сдвига, который в рассматриваемом на фиг, 3 примере выполнен трехразрядным (и=З), определяется временными диаграммами сигналов11,И 1, С,п 1,1, снимаемых с его выходов 1, 11, 111 и сигчалом чтя,поступающим на его вход с. задатчика 18 тактоной частоты, 25Эффективность подавления пульсаций, обусловленных выпрямлением сетевого напряженияс помощью узлов 810.при используемом алгоритме инвертирования недостаточно высока, Объясняется это наличием интервалов времени, на которых не все и инверторовфазной группы находятся в режиме подведения питающего (выпрямленного)напряжения к нагрузке". часть из нихнаходится в режиме шунтирования нагрузки -й обмоткой ФТ посредствомсоответствующих ключевых элементов-го иннертора, н результате чегоусловие образования и-фазной системы 40гармоник (из спектров и выпрямленных.напряжений) нарушаетсяДля ослабления этого недостатка предлагается на входе инверторов ус тановить второй (входной) фильтр- трансформатор 35, обмотки 36-38 которого расположены на соответствующих стержнях замкнутого и-стержневого магнитопровода и включены в одну из шин питания одного из и инверторов (фиг, 6), Эффективность такого решения увеличивается с ростом фазнос. ти ш-преобразователя, поскольку этот фактор, обеспечивая непрерывность и55 большую равномерность потребляемых от выпрямителей токов, создает условия для проявления фильтрующих свойств ФТ (35). В тех случаях, когда требуется реа.лизовать высоковольтный выход (безиспользования последовательного соединения полупроводниковых прибо пои),рациональным оказывается последовательное соединение выходов инверторонфазной группы, Фильтры-трансформаторы в этом случае не требуются. Структура. такого преобразователя поясняется на фиг, 7, а временные диаграммы, поясняющие формирование выходного напряжения Б , приведены нафиг, 4,Предложенное решение позволяет при равных условиях по элементной базе существенно (н и раз, где и - канальность преобразующего тракта) расширить частотный диапазон воспроизводимых сигналов, а также более чем н и раз улучшить качество преобразованного энергетического потока,Ф о р м у л а и з о б р е т е.н и я1, Преобразователь частоты, содержащий основной тп-фазный преобразующий канал н виде многофазного трансформатора, к вторичной обмотке которого через выпрямитель с пульсностью Б выпрямленного напряжения подключен тп-фазный инвертор в виде тп однофазных мостов на управляемых ключах и блок управления его ключами, включающий в себя последовательно связанные между собой задатцик тактовой частоты и основной пт-канальныймодулятор ширины импульсов н виде основного формирователя развертывающего напряжения, выходом подключенного к первым входам тп основных фазных компараторон с выходами Г;, вторые входы которых подключены к соответствующему выходу тп-фазного задатчика эталонного напряжения с фазными выходами Г , где 3=А,В,С - индекс фазы выходного напряжения, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения частотного диапазона и улучшения спектрального состава выход ного напряжения, он снабжен идополнительными аналогично выполненными тп-фазными преобразующими каналами, вторичные обмотки многофаэных трансформаторон которых выполнены по схемам с последовательным фановым сдвигом одноименных по выходной фазе напряжений вторичных обмоток на угол2 ьЯпгде и - общее число каналов выУ ходы однофазных мостов одной фазы, принадлежащие разным каналам, соединены по схеме суммирования, блок уп" равления снабжен идополнительными формирователями развертывающего напряжения, входы которых совместно с входом основного формирователя раз О вертывающего напряжения соединены с выходом задатчика тактовой частоты через введенный и-разрядный регистр .сдвига, идополнительными компараторами, которые вместе с основными 15 образуют и ш-фазных групп с выходом К", в д-м компараторе, где- номер канала, а также п преобразователями .формы сигнала с парафазными выходами ф и 9 , входами подключенными к 20 Г вйходам задатчика эталонного на 3 пряжения и реализующими функцию 9. =зЦп Г, и ш:и логическими узлами с парафазными выходами,(1;и(ф, причем одни входы дополнительных компарато ров подключены к выходам соответствующих дополнительных формирователей развертывающего напряжения, другие входы компараторов, входящих в -ю фазную группу, подключены к соответ ствующему фазному выходу Г задатчи, ка эталонного напряжения, выходы ( и Икаждого логического узла святяаны с управляющими входами соответствующих управляемых ключей одного З 5 полумоста х-моста, управляющие входы управляемых ключей другого полу- моста каждого из и инверторных мостов-й группы связаны с выходами 9 и3 Р указанного преобразователя формы 40 сйгнала, а -й логический узел выполнен реализующим на своем прямомвыходе логическое выражение= Р К .++Р к.1 3 31р2. Преобразователь по и, 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что приреализации в нем высоковольтного выхода выходы п инверторных мостовкаждой фазы соединены последовательно.3., Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что приреализации в нем сильноточного выхода в него введены ш выходных и-обмоточных фильтров-трансформаторов срасположением каждой обмотки на одномиз стержней замкнутого и-стержневого магнитопровода, причем одни одноименные по полярности выходные выводыи инверторных мостов 1-й фазнойгруппы объединены, образуя первыйвыходной фазный вывод преобразователя, а каждый другой выходной выводэтих и мостов через соответствующуюобмотку фильтра-трансформатора подключен к другому выходному фазномувыводу преобразователя,4, Преобразователь по пп1 и 3,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью дальнейшего улучшения спектрального состава выходного напряжения, в него введен входной и-обмоточный фильтр-трансформатор, каждаяобмотка которого расположена на соответствующем стержне замкнутого истержневого магнитопровода и включена последовательно в одну из цепейпитания каждого из и преобразующихканалов.14800 бО Род Ся Уу др=РаЪР