Однофазно-трехфазный преобразовательчастоты

Союз Советских Соцнапнстических Республик(щ 81 7920 ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ВТВЛЬСТВУ(22) Заявлено 290179 (2) 2718977/24-07с присоединением заявки Ио(51)М. Кл. Н 02 М 5/27 ГосударствеииыИ комитет СССР по делам изобретеииИ и открытий(54 ) ОДНОФАЗНО-ТРЕХФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬЧАСТОТЫ Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в регулируеьнх асинхронных электроприводах при однофазной питающей сети, например в электрифицированном транспорте переменного тока.Известны устройства для частотного управления трехфазной нагрузкой при питании от однофазной сети, содержащие полностью управляемые ключи переменного тока 11- 3 1.Наиболее простым иэ них является устройство,в котором однофазная сеть переменного тока присоединена между 5 анодной и катодной группами трехфазного тиристорного моста, каждая ветвь которого образована цепочкой из последовательно соединенных тиристоров,при этом начала фаэных об моток управляемого асинхронного двигателя присоединены к общим точкам взаимного соединения тиристоров отдельных цепочек, а концы фаэ статорной обмотки соединены в общую нулевую 25 точку. При работе устройства имеет место циклическое поочередное подключение к однофазной сети цепочек йэ последовательно соединенных фаз статорной обмотки, чередуемое с 30 скачкообразным изменением на сто восемьдесят градусов начальной фазы питающего напряжения и последующим поочередным эакорачиванием одноименных зажимов двух фаз трехфаэной ста" торной обмотки 3.Известно также устройство, которое может быть использовано для частотного управления трехфазным асинхронным двигателем при питании от однофазной сети, содержащие полностью управляемые ключи переменного тока. устройство выполнено в виде трех преобразующих ячеек, каждая из которых собрана по схеме однофазного инверторного моста на полностью управляемых ключах с двухсторонней про" водимостью, причем одна диагональ моста образует одни силовые входные выводы, подключаемые к сети, а другая диагональ - выходные выводы, подключаемые к гальванически развязанным фазам нагрузки.В этом случае на каждую фазу нагрузки приходится по четыре однофазных ключа переменного тока, а на все устройство - двенадцать однофаэных ключей переменного тока.Преимущество устройства перед известным устройством в лучшем гармоническом составе напряжения на каждойиз фаз нагрузки и обусловленном этимулучшении энергетических показателей нагрузки,. в лучшем использовании по напряжению управляемого асинхронного двигателя, в более широких функциональных возможностях, позволяющих осуществить также независимое регулирование, выходного напряжения управ.)ляемого трехфазного асинхронного двигателя по мере изменения частоты, в болев широких пределах изменения выходной частоты из-за использования искусственной коммутации 4 ).Недостаток устройства состоит в относительно большом количестве полупроводниковых ключей переменного . тока, в случае использования в качествв полупроводникового ключа переменного гока двух встречно-параллельно соединенных тиристоров устройство требует не менее двадцати четырех главных силовых тиристоров, если не учитывать тиристоры узлов искусственной коммутации, Это усложняет подобное устройство.и не способствует повышению его надежности. Кроме того в устройстве недостаточно хорошиеэнергетические показатели при широких 20 25 пределах регулирования и частоты вращения двигателя.Цель изобретения. - улучшение энер- ЗО гетических показателей путем улучшения качества выходного тока.Поставленная цель достигается тем, что известный однофазно-трехфазный преобразователь частоты, содержащий три преобразующие ячейки, каждая из которых включает в. себя пару последовательно соединенных полностью управляемых .ключей с двухсторонней проводимостью, точка соединения которых образует один из двух 40 силовых входных выводов ячейки для подключения их к питающей сети, вторые силовые выводы первых ключей образуют первые три выходных вывода преобразователя, а вторые силовые вы воды других ключей этих ячеек связаны с соответствукщим выходным выводом другой тройки выходных выводов преобразователя, снабжен тремя двух- ОбмОтОчными и Одним трвхОбмОТОчным однофазными трансформаторами, при- чеМ одна из обмоток каждого из трех двухобмоточных трансформаторов подк 4 ючена параллельно упомянутому первому ключу соответствующей ячейки, другая обмотка каждого иэ этих транс Форматоров образует второй силовой входной вывод соответствующей ячейки, вторым своим концом она через одну из обмоток трвхобмоточного транс-. Форматора подключена к одному сило вому выводу другой тройки силовых выводов преобразователя, а точка соединения обмоток двухобмоточного я трехобмоточного трансформаторов подсоединена к второму силовому вю- б 5 воду упомянутого другого ключа этой же ячейки.На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - вариант реализации преобразователя в тиристорном исполнении на фиг. 3 - эпюры, характеризующие переключение полностью управляемых ключей переменного тока (а -в) преобразующих ячеек, коммутационная функция (г), определяющая напряжение на обмотках трехобмоточного трансформатора и коммутационные Функции (д - ж), определяющие фазные напряжения нагрузки на фиг. 4 - эпюры фазных напряжений (а - в) и напряжения на обмотках трех- обмоточного. трансформатора (г); на Фиг. 5 - эпюры, характеризующие переключение ключей преобразователя при регулировании величины его выходного напряжения.Устройство на фиг. 1 содержит три однофазных двухобмоточных трансформатора, между одними 1-3 и другими 4 - 6 обмотками которых пофаэно-последовательно соединены фазы нагрузки - обмотки 7 статора двигателя и расположенные на общем магнитопроводе обмотки трехобмоточного однофазного трансформатора 8, однофазные двухобмоточные трансформаторы свободными концами своих обмоток 1 и 4 и соответственно 2 и 5 и 3 и 6 присоединены к шинам 9 и 10 питающей однофазной сети.Точки соединения цепочек из фаз статорной обмотки 7 и отдельных обмоток трехобмоточного однофазного трансформатора 8 с первичными обмотками 1, 2, 3 однофазных двухобмоточных трансформаторов присоединены к входной шине 9 ключами 11 " 13, а к входной шине 10 - ключами 14 - 16.Вариант принципиальной схемы преобразователя на фиг. 2 соответствует исполнению полностью управляемого полупроводникового ключа переменного тока в виде диодного моста, выход которого зашунтирован цепочкой из дросселей и тиристора. Аноды пар шунтирующих тиристоров ключей .11, 14, 12, 15, 13, 16 соединены конденсаторами соответственно 17 - 19, а их катоды - конденсаторами 20 22. Во избежание запирания шунтирующего тиристора в момент прохождения через нуль тока фазы статорной обмотки или обмотки соответствующего трансформатора в состав диодного моста введена дополнительная ветвь из диодов на относительно малый ток, подсоединенная к питающей сети через Фазосдвигающее сопротивление (например конденсатор) относительно большой величины.На Фиг. 3 а представлена эпюра пвреключений полностью управляемых ключей 11 и 14; на фиг. 3 б - ключей12 и 15, на фиг. 3 в - ключей 13 и 16. Аналогичное соответствие между эпюрами переключения и номерами ключей на фиг. 5.Работа устройства начинается с момента времени, когда замкнут полупроводниковый ключ 14В этот интервал времени первый трансформатор, вторичная обмотка 4 которого закоро-. чена, работает в режиме короткого замыкания и потому йадением напрякения на его первичной обмотке 1 можно пренебречь, тогда напряжение на последовательном соединении первой Фазы статорной обмотки 7 с первой обмоткой многообмоточного однофазного трансформатора 8 не будет отличаться от напряжения питающей однофазной сети.В соответствии с алгоритмом переключений через половину периода циклов коммутации происходит размы кание ключа 14 и заьыканив ключа 11. Это приведет к подключению обмотки 1. первого трансформатора к питающвй однофазной сети, к наведению на обмотке 4 этого трансФорматора ЭДС той 5 же величины, что и напряжение сети к изменению на сто восемьдесят градусов начальной фазы напряжения на фазе 7 статорной.обмотки управляемого асинхронного двигателя. ЗОАналогично протекают электромагнит. ные процессы в цепи обмоток 2 и 5 второго двухобмоточного трансформатора и соответствующей им цепочки из второй фазы статорной обмотки 7 асинхронного двигателя с второй обмоткой трехобмоточного однофазного трансформатора 8, а также в цепи обмоток 3 и 6 третьего двухобмоточного трансформатора и соответствующей ей цепочки из третьей фазы статорной 40 обмотки 7 с третьей обмоткой трех- обмоточного однофазного трансформатора 8Эти процессы обусловлены поочередным переключением полупроводниковых ключей 13 и 15 - цепи второй 45 фазы статорной обмотки двигателя согласно эпюры фиг. 3 б и (фиг. 5 б) и ключей 13 и 16 - цепи третьей Фазы статорной обмотки согласно эпюры фиг. 3 в (и фиг. 5 в) .50Напряжение на последовательном сое динении отдельных Фаз статора с соответствующими обмотками трехобмоточного однофазного трансформатора 8 можно представить произведением (например для одной фазы)07 8=0 К11 ри этом напряжение на обмотке 60трехобмоточного трансформатора(фиг. 4 г) определяется так65 а фазное напряжение Обмотки статора(фиг. 4 а) следукщим образом где (1 - напряжение .питающей сетиФ - круговая частота питающейсети,Юк - , частота циклов коммутации,Частота основной составляющей напряжения нагрузки выражается раз"ностью между частотой сети и частотой циклов коммутации. Если частотациклов коммутации превыаает частоту питающей сети, то прямую последовательность фаз образуют те составляющие напряжения на каждой из указанных выше цепочек цепи нагрузки,частоты которых выражаются как разностью, так и суммой частот сети и,циклов коммутации, совпадут по знаку также и соответствующие им составляющие электромагнитного момента, чтоспособствует расширению вверх диапазона частотного управления асинхронного двигателя. Составляющие намагничивающих сил прямого следования фазразличных фаз двигателя взаимно уранновешиваются в трехобмоточном трансформаторе 8 с однофазным сердечникоми потому не вызовут заметных паденийнапряжения в его обмОтках. Те составляющие напряжений, не указанных вьзавцепочках, частоты которых выражают-ся разностью или суммой частоты свти и произведения частоты циклов коммутации на целое число, кратное трем,образуют нулевую последовательностьфаз, соответствующие им составляющиенамагничивающих сил во всех обмотках трансформатора 8 совпадут по Фазе и создадут результирующее значениепо величине составляющие магнитногопотока холостого хода в общем дляних Ферромагнитном сердечнике, чтообуславливает выделение этих составляющих напряжения исключительно на обмотках трансформатора 8 и исключенивэтих составляющих напряжения на фазах статорной обмотки асинхронногодвигателяОчень большое индуктивноесопротивление холостого хода для этихсоставляющих намагничивающей силынулевого следования Фаз, получавмов втрансформаторе 8 с ферромагнитнымсердечником, обуславливает соответствующее уменыаение тепловых потерьв предлагаемом устройстве по сравне-.нию с известными устройствами подобного рода, не имеющими такого трансформатора.Независимое регулирование напряжения частотноуправляемого асинхронного двигателя в предлагаемом устройстве осуществляется изменением соотношения между интервалами включенногосостояния ключей 11 - 13 и соответствующих им ключей 14 - 16 согласноФиг. 5. Гармонический состав эпюр переключающих Функций фиг. 5 показывает, что каждая из этих функций в этом случае содержит также постоянную составляющую, величина которой возрастает по мере увеличения глУбины регулирования напряжения.Постоянная составляющая в составе переключающих функций ключей 11 16 вызывает появление составляющих частоты питающей сети в напряжениях цепочек из обмоток трансформатора 8 и различных фаз статорной обмотки 7 двигателя, которые также образуют нулевую последовательность фаз и потому .аналогично предлагаемому выше выделяются исключительно в обмотках трансформатора 8; это обуславливает существенное уменьшение тепловых потерь в частотоуправляемом двигателе 7 при широком диапазоне регулирования его частоты вращения, сопровождаемом одно временным независимым регулированием напряжения,Формула изобретенияОднофазно-трехфазный преобразователь частоты, содержащий три преобразующие ячейки, каждая из которых включает в себя пару последовательно соединенных полностью управляемых ключей с двухсторонней проводимостью, щ точка соединения которых образует один из двух силовых входных выводов ячейки для подключения их к питающей сети, вторые силовые выводы первых ключей ячеек образует первые три выходных вывода преобразователя, а вторые силовые выводы других ключей этих ячеек связаны с соответствующим выходным выводом другой тройки выходных выводов преобразователя, 9ф ал13 э т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью улучшения энергетических по.казателей путем улучшения качества выходного тока, он снабжен тремя двухобмоточными и одним трехобмоточным однофазными трансформаторами, причем одна из обмоток каждогоиз трех двухобмоточных трансформаторов подключена параллельно упомянутому первому ключу соответствующейячейки, другая обмотка каждого изэтих трансформаторов одним концомобразует второй силовой входной вывод соответствующей ячейки, вторымсвоим концом она через одну из обмоток трехобмоточного трансформатора подключена к одному силовому-выводу другой, тройки силовых выводовпреобразователя, а точка соединенияобмоток двухобмоточного и трехобмоточного трансформаторов подсоединенак второму силовому выводу упомянутого другого ключа этой же ячейки. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Рутманис Л, А. Однофазно-трехфазный полупроводниковый преобразователь частоты с искусственной коммутацией тиристоров. Известия АНЛатв. ССР, сер. Физ. и техн. наук,1967, 2, 112.2. Авторское свидетельство СССРР 226013, кл, Н 02 М 5/27, 01.09.65,3. Патент СМА Р 3889167,кл. 318-227, опублик. 10.06,75:4. Мыцык Г. С. Исследование и разработка способов преобразования параметров электрической энергии спомощью статических преобразователей.Канд, дис, М., МЭИ, 1972, с. 49,119-126., З, Раущская наб., д, 4/5 каэ 1478/75ВНИИПИ Го по делам113035, Москв одпис филиал ППП фПатентф, г. ужгород, ул. Проектная, 4