Магнито-полупроводниковый преобразователь частоты

%нбпиОтека М Е 4 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистических Республик(23) Приоритет Н 02 М 5/27 Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытийДата опубликования описания 26.0580( 54 ) МАГНИТНО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬЧАСТОТЫ Изобретение относится к преобразовательной технике и может использоваться в электротехнических преобразовательных установках и системах электропривода,Известны статические вентильныепреобразователи частоты с непосрЕдственной связью и принудительной(искусственной) коммутацией вентилей, в которых каждая фаза нагрузки подключается к фазам питающейсети или к выводам преобразователячисла фаз циклически через равныепромежутки времени 1) и 2),Недостатки указанных преобразователей в -сравнительная сложность схем из-за значительного количества управляемых элементов, например тиристоров в силовой схеме и в узлах принудительной коммутации 1 сложность управления, так как такими элементами необходимо управлять в определенной последовательности (многоканальное управление); отличие частоты управления от выходной частоты, что приводит к необходи" мости вводить в преобразователь дополнительные устройства для сравнения частоты питания с требуемойчастотой и выработки по результатамэтого сравнения управляющих сигналов; относительный диапазон изменения частоты управления должен бытьшире, чем выходной частоты, чтотакже усложняет систему управления,Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности являетсямагнитно-полупроводниковое устройство, содержащее подключаемые кмногофазной сети идентичные трансформаторы с магнитосвязанными сердечниками,число которых кратно числу фаэ сети, причем одна иэ обмотоккаждого трансформатора подключенак вентилям и к управляемому ключу 3) .Это устройство содержит значительно меньше управляемых ключевыхэлементов,Однако оно также сравнительносложно25 Пель йзобретения - упрощениепреобраз сват ел я,Поставленная цель достигаетсятем, что одни одноименные концыупомянутых обмоток объединены в од 30 ну точку, другие концы через иден 736295(О 15 20 ЗО 50 60 тично включенные вентили - в другуюточку, а управляемый ключ включенмежду этими точками.На фиг, 1 изображена схема магнитно-полупроводникового элементана фиг, 2 - график работы магнитнополупроводникового элемента; нафиг3 - пример выполнения схемыпреобразователя с многофазной иоднофазной нагрузками; на фиг,токи цепей;. на фиг, 5 - график магнитных потоков трансформаторов;фиг, 6 поясняет работу преобразователя на двигательную нагрузку; нафиг7 - пример выполнения схемыпреобразователя с однофазной нагрузкой,Магнитно-полупроводниковый элемент представляет собой управляемыйтрансформатор, содержащий первичную обмотку 1, подключенную черезнагрузку 2 к источнику синусоидального напряжения угловой частоты жвторичную обмотку 3 и обмотку 4 управления, замкнутую вентилем 5 иполностью управляемым ключом б (например транзистором), Сопротивлениенагрузки 2 много меньше индуктивно"го сопротивления обмотки 1, еслисердечник трансформатора не насыщен,и много больше, если сердечник насыщен, Кривая намагничивания сердечника трансформатора - зависимостьмагнитного потока ф от намагничивающей силы Р - близка к прямоугольнойи изображена (фиг. 2) кривой 7,Если нагрузка к обмотке 3 не подключена, то при разомкнутом ключе бчерез нагрузку 2 течет незначительный ток намагничивания, а магнитныйпоток сердечника изменяется синусоидально, как показано на фиг, 2 кри -вой 8, Максимальный поток Ф ненасыщенного трансформатора выбираетсянемногим меньше потока насыщенияФ, как показано на фиг, 2 При постоянно замкнутом ключе б вентиль5 обуславливает самонасыщение трансформатора, падение напряжения наобмотке 1 незначительно и практически все напряжение приложено к нагрузке 2, Полупериод О (О 14 Л, втечение которого вентиль 5 можетпроводить ток, является рабочим; второй полупериод, когда вентиль непроводит, является нерабочим, Коммутация ключа б влияет на работу схемы практически только в рабочем полупериодеЕсли в моменто 1=,рабочего полупериода, когда магнитный поток сердечника равен Ф, замкнуть ключ б,то обмотка управления замыкаетсянакоротко через проводящий вентиль,Так как падение напряжения на проводящем вентиле незначительно,магнитный поток практически перестаетизменяться, как показано на фиг2кривой 9. При этом через вентиль течет ток, показанный кривой 1 О,Таккак после замыкания ключа индуктивное сопротивление обмотки 1 становится незначительным, по нагрузке2 течет ток, показанный на фиг,2кривой 11.Если ключ б остается замкнутымдо конца рабочего полупериода, топосле изменения знака приложенногонапряжения в момент ц 1=А вентиль 5перестает проводить и цепь управления практически размыкается, Магнитный поток сердечника начинает воэ -растать, достигает к моменту о 1-(Лб)значения потока насыщения Фз и далееизменяться не может до конца периода, Поэтому от момента иЕ Яс) доконца периода по нагрузке 2 опятьтечет ток, В интервале Згц 142 тсключб размыкается и далее процесс повторяется. Если ключ б размыкаетсяв нерабочем интервале, т,е, без разрыва цепи, то магнитный поток иток в нагрузке 2 изменяются так,как показано на фиг. 2 сплсюнымикривыми 9 и 11, а сердечник перемагничивается по частному циклу отФ до Ф. В этом режиме схема(фиг. 1) работает аналогично магнитно-вентильному усилителю.Если же ключ 6 размыкать в момент о 1.-1, когда вентиль находитсяв проводящем состоянии, то с этогомомента до конца рабочего полупериода магнитный поток уменьшаетсядо значения Ф и далее возрастаеткак показано на фиг, 2 пунктирнымпродолжением кривой 9; насыщениенаступает позже моменташ 1=(ЛО),Соответственно ток 1 в нагрузке 2 течет меньший интервал времени, какпоказано на кривой 11 пунктиром,Таким образом, при раэмыкании ключа сразрывом тока сердечник перемагничивается по частному циклу от Фэдо Ф , а кривая тока в нагрузке2 несимметричнаПроанализировав работу одногоуправляемого трансформатора, рассмотрим схему преобразователя(фиг 3), Он содержит восемь идентичных управляемых трансформаторов,первичные обмотки 1 которых подключены через нагрузки 2 к источникупитания, а вторичные обмотки 3 соединены последовательно, образуя выходную обмотку Н-Н, Обмотки 4 управления соединенные с вентилями 5,подключены параллельно к одному полностью управляемому ключу б, Преобразователь подключен к восьмифаэному источнику напряжения с нулевымпроводом (обозначен О),Работу схемы фиг, 3 поясняютфиг, 4 и 5, Сплошными синусоидальными линиями (фиг. 4) показаны токипервичных обмоток трансформаторовпри постоянно замкнутом ключе б, аоплошными синусоидальными линиями(фиг, 5) изображены сину оидальные агнитные потоки трансформаторов при постоянно разомкнутом ключе,Рассмотрим работу восьми управляемых трансформаторов, когда ключ замыкается на полпериода частоты питания в интервале от и 1-.с( -5 с до28 ц Р= б ".-, Интервал, в течение которого ключ замкнут, для наглядности показан горизонтально заштрихованным прямоугольником в нижней части фиг, 5, Одно деление горизонтального малтаба на фиг. 4 и 5 равно 4 гМомент о, замыкания ключа попадает для первого трансформатора в рабочий полупериод, когда вентиль находится в проводящем состоянии, а магнитный поток равен Ф. До конца рабочего полупериода щ 1 =2.Нмаг нитный поток не изменяется, как показано на фиг. 5 штрих-пунктирной линией, Поэтому в интервале в )г"О 1 2. побнагрузке 2 первого трансформатора течет ток, показанный на фиг. 4 штрих-пунктирной линией. После ОЭФ.=2 Ч. вентиль перестает проводить, магнитный поток возрастает и к моменту р= Х достигает значения насыщения Ф , С этого момента до начала рабочего полупериода =.) поток изменяться не может и по первичной обмотке опять течет ток, Далее вентиль начинает проводить, магнитный поток уменьшается, к моменту замыкания ключа достигает первоначального,значения Ф, и процесс повторяется,Магнитный поток второго трансформатора, показанный на Фиг, 5 точечной линией, в момент О, имеет значение Фп. Пока вентиль проводит,т,е, до конца рабочего полупериода-- ( поток сердечника не изменябется, а по нагрузке 2 второго трансформатора течет ток - точечная линия на Фиг, 4. Далее магнитный поток возрастает, после.(- в , гсердечник насыщается и остается насыщенным до начала рабочего полупериодаг 1- пя т, е, в интервале - яЮ 1("- тс5й3по нагрузке опять течет ток, С момента о 1- - Х вентиль начинает проводить, магнитный поток уменьшается, достигается к моменту о. первоначального значения, и процесс повторяется,Магнитный поток третьего трансформатора показан на фиг, 5 линиейтире-две точки, Момент А замыкания ключа попадает в конец нерабочего полупериода, когда сердечникнасыщен, С начала рабочего полупериода поток может уменьшаться лишь на очень малую величину, например от Фя до Ф соответствующую падению напряжения на проводящем вентиле и активном сопротивлении обмотки 4, т,е, остается практически неизменным до момента р размыкания ключа, В моментвентиль находится еще в проводящем состоянии, и после разрыва цепи обмотки 4 магнитный поток уменьшается до значения Ф затем возрастает, после о 4=х сер 6 дечник насыщается и, процесс повторяется. Таким образом, в течение всего периода, кроме интервала эгц 1З 4 - ( магнитный поток третьего трансформатора не изменяется, а по его нагрузке 2 течет ток, показанный линией тире-две точки на Фиг,4,Магнитный поток четвертого трансФорматора показан на Фиг, 5 линией два тире-точка , Момент ы, попадает для четвертого трансфорМатора также в нерабочий полупериод, когда сердечник насыщен, С начала рабочего полупериода магнитный поток может уменьшиться лишь на малую величину от Ф до Ф и не изменяетсяэцо момента р, после чего уменьшается, достигая минимума Ф в конце рабочего полупериода, и затем опять возрастает, К моменту и(= йсердеч 9 ни к насыщается и процесс повторяется, Таким образом, изменение потока имеет место лишь в интервале -"ми 9 м остальную часть периода 88по нагрузке 2 четвертого трансформатора течет ток, показанный линиейдва тире-точка(фиг, 4)Магнитный поток пятого трансформатора показан на Фиг, 5 линиейтире-три точки, Момент Р такжепопадает в нерабочий полупериод, и .магнитный поток возрастает, достигаязначения насыщения к моменту и 1 в .Л и оставаясь затем постоянным.ЯС начала рабочего полупериода г 1=2%до момента Р, поток может уменьшиться лишь на малую величину от Фэ доФ , после чего начинает уменьшаться,бв конце рабо (его полупериода 1=тг достигает минимума (-Ф 1), затем возрастает и процесс посторяется, Такимобразом, магнитный поток остается неизменным и по нагрузке 2 пятоготрансформатора течет ток в интерва)гс 1, - Х (линия тире-три точки на фиг, 4),Магнитный поток шестого трансформатора, показанный на фиг, 5 линиейдва тире - две точки, изменяется аналогично, но так как ключ включается близко к началу нерабочегополупериода (о 1=- ч), а выключаетЮся спустя лишь малый интервал - хн8после начала рабочего полупериода(щ 1= Х ), сердечник успевает почтиполностью перемагничиваться,. Магнитный поток не изменяется и, следовательно, ток по нагрузке 2 шестого трансформатора может теь лишьв коротком интервале - %ш 4-л - лиИниядва тире-две точкинаФиг, 4, 736295Магнитный поток седьмого трансформатора показан на Фиг, 5 мелкспунктирной линией. Значение потока(-Ф), достигнутое к моменту б(, сстается постоянным на коротком интервале - Л(151 Л до кОнца рабочего по 8лупериода, Затем поток возрастаетк моменту р достигает значения насыщения, остается неизменным до щ.5: - ,тгпосле чего уменьшается и процессповторяется,Ток в нагрузке 2 седьмого трансформатора течет только вУ6.вух коротких интервалах - л(ы 1 н и)1 ш. , как показано на фиг. 4мелкопунктирной линией,Магнитный поток восьмого трансформатора показан на Фиг, 5 пунктирной линией, От момента 55 до конца рабочего полупериода (и 1: в Г )поток не изменяется и по нагрузке2 течет ток - пунктирная кривая нафиг, 4, Затем поток возрастает, вмомент б сердечник насыщается и Остается насыщенным до 51= - ЛБ этомвинтервале го первичнои обмоткеопять течет ток, Далее поток уменьшается и процесс повторяется,Сумма магнитных потоков всехтрансформаторов - потокосцеплениеобмотки Н-Н, определяющее напряжениена ее зажимах - показана на Фиг.,5КРивой 12. ПотокосЦеплеиие содержнтпостоянную составляющую, обусловленную вентилями, и переменную сосгазл яющую, Пер емен на я сост авл яющая име -ет максимум в момент раэмыкания, аминимум - в момент замыкания клоча.Следовательно, изменял положениезамкнутого состояния ключа внутрипериода, можно изменять фазу переменной составляющей потокосцепленили соответственно Фазу напряженияна зажимах Н-Н, Таким Образом пре образователь может работать фаэовращателем, обеспечивая плавное регулирование фазы напряжения на зажимах Н-Н в пределах 360 О,Если интервал замкнутого соссояния ключа изменяет свое положениеот периода к периоду частоты пита -ния, т,е, если часОа коммутациине равна частоте питания, то фазанапряжения на зажимах Н-Н такжеплавно изменяется, т.е. частотавыходного напряжения равна частотекоммутации., Так как выхОднОе 5 апрЯ"жение имеет частоту и фазу, рав,нуючастоте и Фазе коммутации ключа, амощность в нагрузку поступает от исгочника питания, преобразовательявляется усилителем мощности,Ток в нулевом проводе - сумма токов н первичных обмоток трансформаторов -,изображеьпый на Фиг. 4кривой 13, представляет собой периОдическуо кривую, у которой частота и Фаза основной гармоники определяется частотой переключения иэавляемого ключа б, Следовательно,.5 агруэка может быть включена и внулевой провод,Б качестве нагрузок 2 удобно использоватьь Фазные обмотки многофазных электрических машин, напримерасинхронных двигателей. Пусть настаторе машины расположены восемьФазных обмоток, витки которых синусоидально распределены по окружности статора со сдвигом на 1/В егорасточки. При питании этих обмотоктоками , , показанными на Фиг, 4,результирующая намагничивающая сила (и при равномерном воздушном зазоре магнитное поле машины) имеетсинусоидальное распределение по расточке статора, как показано наФиг, б для пяти последовательных моментов От ц с 0 до е- , ПО гори зОн. лтальОЙ Оси Х на фиг, б ОтсОже 5 ыпространственные координаты статора в угловых единицахКак видно иэ Фиг, б, магнитноеполе многофаэной машины при питанииее От преобразовате 5 я Фиг. 3 представляет собой бегущую волну, положение и скорость которой определяется управлением ключом б. Следовательно преобразователь ("иг, 4)позволяет осуществить частотноерегулирование скорости привода пере -менного тока с помоцью лишь одногоуправляемОго элемента. Таким образом, преобразователь (фиг, 3) можетиспо.г 1 ьзО,". ать ся пс 5 и ит а ни я как многофаэнойтак и однофазной нагруз -ки.Работа преобразователя (Фиг,3)рассмотре 5 а для простоты при питании От вссьмифаэного источника,Оче -видно,. работа его не изменяется ипри питании От четырехфазного источника, е;=и у половины трансформаторов изменить взаимное направлениепервичны: и управсЯющих Обмоток,Если:ислс фаэ схем; больше чис 51 а фаз и 5 тающегО напряже ни ято гервичые Обмотки трансформаторов соединены пс следов аз ел ьно, Обра зуя преобразователь ч ела фаэ, На Фиг,7 показан пример схемы. которая как и Фиг, 3 содержит восемь управляемых трансформаторов, но питается от двухфазного источника, Каждый трансФорматор содержит две первичные обмотки 14 и 15, Числа витков первичных обмоток 14 распределены по сердечникам трансформаторов по синусоидальОмм закону р а числа виткОВ обмоток 15 - по косинусоидальному закону, При подключении последовательно соециненных обмоток 14 к первой Фазе А.-Х питакяцего двухфазного напряжения, а Обмсток 15 - ко вто- рОЙ фазе Б-у и при разом нутОМ ключе б напряжения выходных обмотан 3 образуют симметричную восьмифазную системут,е, их сумма на выходныхзажимах Н-Н равна нулю,При коммутации ключа 6 работа схемы (фиг. 7) принципиально не отличается от работы схемы. (фиг. 3) .Форчула изобретенияМагнитно-п элупроводниковый преобразователь частоты, содержащий подключаемые к многоазной сети идентичные трансФорматоры с магнитоизолированными сердечниками, число которых кратно числу Фаз сети, причем одна из обмоток каждого трансФорматора подключена к вентилям и к управляемому ключу,.о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью упрощения, одни одноименные концы упомянутых. обмоток объединены в однуточку, другие концы через идентично включенные вентили - в другуюточку, а управляемый ключ включенмежду этими точками,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1, Сб. Современные задачи прео образовательной техники, ч, 2,К., 1975 с. 132-140,2. Патент Японии 56 В 3М 48-31408, 1973,3, Тонкаев В,Е. и др. Магнитнополупроводниковые модуляционные преобразоватепи частоты, К Наукова Думка, 1970, с, 182-183,