Вентильный преобразователь час-тоты c непосредственной связью

О П И С А Н И Е803088 Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(оЗ) Ъ ДЕ, 621.314. .26 (088.8) Оп бликовано 07.02.81 Ькх "ець М 5Дата опубликования описания 1" 02.81 по делам изобретений и открытийИзо(бретение относится к статическим преооразов(те,я цастогы перееого тока и может цспс ьзоваться в электротехнических цреобрдзовдсльцых установках ц системах электроцриво;ш.Известны всцтильныс;р(обрзова ели частоты с непосредственной связью и ес- теств(нцой дххутацией вентилей (циклоконверторы), в которых олца цолуволца выходного напряжения формируется выпрямлением, а вторая полуволна - инвертированием многофазного преобразуемого напряжения путем поочереднои коммутации различных групп вентилей 11 и 12. Такие преобразователи экономичны и имеют сравнительно небольшую установленную моцность силовой аппаратуры, но им присугци следующие недостатки;низкая гыходная частота, практически не превышаощая половины преобразуемой частоты, и трупости ее регулирования без ухудшения формы кривой выходного напряжения;сложность управления, особенно при так называемом раздельном управлении группами вентилей; знацигельные цскджснця формы кривойВЬОдО 0 ЦДГР 5 Ж(3 Я.Д дя устра цецц 5 указа ц вы х недостатковприходится усложнять кдк силовые, тдк и упрдвляюцьие схеы. Например, для повыше;,ця цастоты выходного напряжения приходится значительно увеличивать цисло фаз цлц вводить элементы принудительной коммутации вентилей цли вводить резонансные контурь, т. е. усложнять силовую схему. Для улучшения формы кривой выхотцого напряжения приходится усложнять схемы управления, в частности управлять преобразователем по принципу замкнутых следящих систем.Известен также вентцльный преобразователь чдстоть с непосредственной связью, содержащий вклю(цце в каждую фазу многофазцого источника напряжения трансформаторы с расположенными на них первичными обмотками, подключенными к фазам источника. вторичными, соединенными пос ледовдтельц;и обмотками управления иуправлясмьц в тилц. каждый из которых вклюцен и( )нь , сльцо соотве гствую щей обмотке управления :3.Недостатками данного преобразователя являются:низкая частота выходного напряжения, значительно меньшая частоты питающего напряжения, так как каждая полуволна выходного напряжения складывается из полу. волн фазных напряжений питания;сложность силовой и управляющей схем; искажения формы кривой выходного напряжения, состоящей из отрезков синусоиды питающего напряжения;возможность только однофазного выхода, что ограничивает возможности применения.Целью изобретения являются увеличение диапазона регулирования частоты и упрощение устройства.Эта цель достигается тем, что в вентильном преобразователе частоты с непосредственной связью, содержащем включенные в каждую фазу многофазного источника напряжения трансформаторы с расположенными на них первичными обмотками, подключенными к фазам источника, вторичными, соединенными последовательно, и обмотками управления, и управляемые вентили, каждый из которых включен параллельно соответствующей обмотке управления, управляющие электроды всех вентилей объединены.На фиг, 1 изображена схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - токи цепей; на фиг. 3 - магнитные потоки трансформаторов схемы фиг. 1; на фиг. 4 и 5 - схемы предлагаемого преобразователя (различные варианты). Преобразователь (фиг. 1) содержит восемь идентичных управляемых трансформаторов, подключенных к восьмифазному источнику с нулевым проводом (обозначен О) питающего синусоидального напряжения угловой частоты о . Первичная обмотка 1 каждого трансформатора подключена последовательно с нагрузкой 2 к одной фазе питающего напряжения. Вторичные обмотки 3 всех трансформаторов соединены последовательно, образуя выходную обмотку Н - Н преобразователя. Каждый трансформатор содержит также обмотку 4 управления, замкнутую управляемым вентилем (тиристором) 5. Цепи обмоток управления могут быть соединены (фиг. 1) или быть гальванически не связанными. Управляющие электроды всех вентилей 5 объединены и к общим точкам а и в подключен источник управляющих импульсов. Сопротивления нагрузок 2 много меньше индуктивных сопротивле ий обмоток 1, если сердечники трансформаторов не насыщены, я много больше их, если сердечники насыщены, Кривые намагничивания сердечников близки к прямоугольнымПри наличии между клеммами а и в постоянного напряжения, достаточного д я отпирания тиристоров, происходит самона 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 сыщение всех трансформаторов. При этом падение напряжения на их обмотках незначительно и по нагрузкам 2 восьми трансформаторов текут синусоидальные токи показанные на фиг. 2 тонкими синусоидальными линиями. При отсутствии управляющего сигнала на клеммах а и в все тиристоры заперты, практически все напряжение источника приложено к обмоткам 1, и по нагрузкам 2 текут незначительные токи намагничивания, а магнитные потоки Ф восьми трансформаторов изменяются синусоидально, как показано на фиг. 3 тонкими синусоидальными линиями. Максимальный магнитный поток Ф ненасыщенного трансформатора выбирается лишь немногим меньше потока насьццения Ф (см. фиг. 3).Рассмотрим работу восьми трансформа- торно-вентильных цепей, когда управляющий сигнал подается одновременно на управляющие электроды тиристоров в интервале от ш 1 = 4 = 3 - ф"-до,о 1 =,ф = 7-.ЯИнтервал, в течение которого подается управляющий сигнал, для наглядности показан в нижней части (фиг. 3) прямоугольникОм со светлыми кружочками.Момент в подачи управляющего сигнала для тиристора первой цепи попадает в тот полупериод, когда тиристор может проводить. Так как падение напряжения на проводящем тиристоре и активном сопротивлении обмотки 4 незначительно, то после включения тиристора в момент аь магнитный поток практически перестает изменяться (фиг. 3, штрих-пунктирной линией). Неизменное значение потока сохраняется до конца полупериода о 1 =й , когда анодное напряжение тиристора изменяет знак и он перестает проводить. С этого момента магнитный поток возрастает, при ь 1 = (Х + сс) : 19 достигает значения насыщения Ф- и перестает изменяться до конца периода 1 = 24. Затем поток уменьшается, к моменту а, достигает первоначального значения, и процесс повторяется. В течение двух интервалов Зф о т .-Л и 19 ,о 1 с,2, когда маг нитный поток не изменяется и падение напряжения на обмотке 1 незначительно, по нагрузке 2 первой цепи течет ток (фиг. 2, штрих-пунктирной линией). Магнитный поток второго трансформатора, (фиг. 3, точечной линией), в момент а. равен потоку насыщения Ф 5. Второй тиристор может включиться лишь в момент ы 1 = 2, когда его анодное напряжение станет положительным. С этого момента поток может измениться лишь на очень малую величину, например от ч до Ф соответствующую падению напряжения на проводящем тирисгоре и активном сопротивлении обмотки 4, т. е. остается практически неизменным до момента м 1 = 25-ф, когда анодное напряжение на тиристоре изменяет знак и он перестает проводить. Сердечник трансформатора опять насыщается, и процесс повторяется. Так как в течение всего периодамагнитный поток второго трансформаторапрактически не изменяется и индуктивностьего первичной обмотки незначительна, понагрузке 2 второй цепи течет непрерывный зсинусоидальный ток (точечной линией нафиг. 2).В третьей, четвертой и пятой цепях тиристоры не успевают включиться за времяподачи управляющего сигнала (их анодное напряжение отрицательно) . Поэтомумагнитные потоки третьего, четвертого ипятого трансформаторов изменяются синусоидально, а токи в соответствующих нагрузках 2 отсутствуют,Магнитный поток шестого трансформатора показан на фиг. 3 линией два тире -точка (- - . -- ). Так как тиристор включается в самом конце своего проводящегополупериода, магнитный поток шестоготрансформатора не изменяется и по его нагрузке 2 течет ток лишь короткий интервал 203 1 ф-. Второй такой же интервал,когда сердечник насьцден, отстоит от первого на Х, т, е. интервал 19 ф- ., т 3.Магнитный поток седьмого трансформатора показан на фиг. 3 мелкоп,нктирной25линией. От момента а он не изменяется домомента1 = "- изменения знака напряжения и далее возрастает. При1 = .) 1.сердечник насыщается, поток остается неизменным до конца полчпериода о( = 3О - дпосле чего уменьшается, и процесс повто- З 0ряется, Ток по нагрузке 2 седьмой цепитечет два интервала, когда поток не изменяется, а именно Зф- о 1- и 19- (-,о 1 б(фиг. 2, мелкопунктирной линией).Процесс в восьмои цепи протекает анаиилогично - пунктирные линии на фиг. 2и 3; магнитный поток не изменяется и понагрузке 2 восьмой цепи течет ток в интервалах 3 - =ш т -.3 - и 19т 7,Сумма магнитных потоков всех трансфор 40маторов - потокосцепление обмотки Н - Н,определяющее напряжение на ее зажимах(фиг. 3, кривой 6, сплошная линия со светлыми кружочками. Потокосцепление содержит постоянную составляющую, обусловленную наличием вентилей, и переменнуюсоставляющую. Если длительность управляющего сигнала увеличить, например до интервала З, 1 5 8 - (фиг. 3, внизу прямоугольДсником с зачерненными кружочками), то работы всех цепей, кроме трегьей, не изменится. Третий тиристор сможет включиться в начале полупериода своей проводимости ,о т = -, поэтому магнитный поток третьего трансформатора, как и второго, практически изменяться не будет, а по его первичной обмотке будет течь синусоидальный ток. Потокосцепление обмотки Й - Н в этом случае изображается кривой 7 (сплошная линия с черными кружочками).Если длительность управляющего сиг-нала увеличить до интервала 3 -, ю 1 ( 7(фиг, 3, внизу прямоугольником с крестиками), то будет успевать включаться и четвертый тиристор, а магнитный поток четвертого трансформатора также перестанет изменяться. Соответствующая кривая потокосцепления обмотки Н - Н - линия 8 с крестиками.Из сопоставления кривых 6, 7 и 8 видно, что длительность управляющего импульса, равная примерно четверти периода, является оптимальной, так как переменная составляющая потокосцепления выходной обмотки имеет при этом наилучшую форму и наибольшее отношение к постоянной составляющей.Как видно из кривых 6 - 8, переменнаясоставляющая потокосцепленпя выходной обмотки имеет минимум в момент подачи управляющего сигнала и максимум, отстоящий на. Следовательно, изменяя момент подачи сигнала внутри периода, можно плавно изменять фазу напряжения на зажимах Н - Н. Таким образом, преобразователь (фиг. 1) может работать фазовращателем, обеспечивая плавное регулирование фазы напряжения на зажимах Н - Н в пределах Э . тЯб . .сли момент подачи управляющего сигнала изменяет свое положение от периода к периоду частоты питания, т. е. если частота сигнала не равна частоте питания, то частота напряжения на зажимах Н - Н равна частоте сигнала. Так как частота выходного напряжения равна частоте сигнала, а мощность в нагрузку поступает от источника питания, преобразователь является усилителем мощности.Ток в нулевом проводе - сумма токов первичных обмоток трансформаторов - изоб ражен на фиг. 2 кривой 9 для длительности управляющего сигнала 3.:,о т:;7 ;- и кривой 10 для длительности сигнала 3-(ДГь(,д 1 =.,о ф-. Частота и фаза основной гармоники этого тока определяются моментами подачи управляющего сигнала, поэтому нагрузка может быть включена и в нулевой провод.В качестве нагрузок 2 удобно использовать многофазные обмотки электрических машин, например асинхронных двигателей. При питании фазных обмоток машины токами 1 (фиг. 2) результирующая намагничивающая сила представляет собой бегущую волну, положение и скорость которой определяются моментами подачи управляющего сигнала. Следовательно, преобразователь (фиг. 1) позволяет осуществить частотное регулирование скорости привода переменного тока одним сигналом управления. Таким образом, преобразователь (фиг. 1) может использоваться для питания как многофазной, так и однофазной нагрузки.Работа преооразователя (фиг. 1) рассмотрена лля простоты при питании ог восьчифазного источника. Очевидно, работа его не изченится при питании от четырехфязного источника, если у половины трансформаторов изменить взаимное направлсние об- з чоток 1 и 4.Известно, что в магнитно-вентильном усилителе трансформатор может быть заменен автотрансформдтором, если допустимо прохожление небольшой постоянной составляющей тока через последовательно вклю О ченную нагрузку. На фиг. 4 показана авто- трансформаторная схема предлагаемого преобразователя, в которой отсутствуют обмотки управления.15Если Лля улучшения формы кривой выходного напряжения число фаз схемы должно быть больше числа фаз питающего напряжения, то первичные обмотки трансформаторов могут быть соединены последовательно, образуя преобразователь числа фаз. 2 О На фиг. 5 показана схема преобразователя, который также содержит восемь управляемых трансформаторов, но питается от лвухфазного источника. Каждый трансформатор содержит первичные обмотки 11 и 12. Числа витков обмоток 11 распределены по сердечникам по синусоидальночу закону, а обмоток 12 по кс)синусоилальному закону. При подключении последовательно соединенных обмоток 11 к первой фазе Л -Х питдюпсего двухфазного напряжени, я зв обмоток 12к второй фазе ВУ и при отсутствии сигнала управления пд клеччдх д и в, напряжения вторичны с обмоток 3 ооразуют симметричную восьмифдзнук) спс. тему, т. е. их сумма на выходных зажимах Н - Н равна нулю. Г 1 ри полаче управляющего сигнала на клечмы я. в рабс;тя схс чы фиг. 5 принсипиальцо пе с)гличяс;с от раооты схемы фиг. 1. Таким образом, ланное устройство обеспечивает регулирование частоты как в сторону понижения, так и в сторону повышения относительно частоты питания, и проще по сравнению с прототипом, так как содержит лишь один трансфорс дтс)р и олин вентиль на фазу.Предлагаемое устройство функционально является универсальным, так как может обеспечить питание одновременно как однофазной, так и,многофазной нагрузки, может быть выполнено лля подключения к источникам питания с различным числом фаз при сохранении неизменным числа фаз схемы и соответственно формы кривой вьхолного напряжения.Форлщла тоб)етенияВснтильцый преобразователь частоты с непосредственной связью, солержаспий вклю ченные в каждую фазу чногофдзного источника напряжения трансформаторы с расположенными на них первичными оочоткячи, подключенными к фазам исто ника, вт )- ричными, соелиненными послелсгвятельно. обмотками управления, и упрдвляечыс дестили, каждый из которых включен параллельно соответствующей обмоткеправления, ог,гичаюисийся тем, что, с целью увели. чения диапазона регулирования частоты и упрощения, управляющие электролы всех всптилсй ос)1 слпнены.Истс)вник информации,принятые во внимание при экспертизе . Патент сШЛ М 3368136, кл. 321 - 7, 1975.2. Патент СШЛ, Ло 3803478, кл. 321 - 7.1975.3 сзто рекс)е свилетел ьство ( сГ Р по: д. явке Лс 2182446,24 - 07, кл, Н 02 с 5 ),с)75та вительед А. Бой ж 7 Йвенного етеннй35, Рауг. Ужгор 1 выдкая Редактор Г. ПетроваЗаказ 10274/68ВНИИпо113035,Филиал ПП СоТехр ТираИ Государстделам изоб Москва, Ж - П Патент,г 1. Устннкинакас КорректорПодписноекомитета СССРи открытийшская наб., д. 4/5од, ул. Проектная, 4