Преобразователь частоты с непосредственной связью

Союз СоветсккхСоциалис 1 кческккРеспубпкк ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ. по делан изобретений и открытийОпублкковано 28.02.83 Бюллетень8 Дата опубликования описания 02.03.831Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для плавного регулирования частоты вращения асинхронных двигателей в приводах различных областей народного хозяйства.По основному авт, св. М 470046 известен непосредственный преобразователь частоты с непосредственной связью для частотного управления асннхронным двигателем, который содержит два трехфазных трансформатора, вторичные обмотки которых соединены с зажимами переменного тока днодных мостов, зашунтированных цепочками нз дросселя и тиристора, а также коммутирующие конденсаторы между одноименными зажимами шунтирующих тнристоров, причем первичные обмотки этих трансформаторов соединены пофазнь-последовательно треугольником, а между лучами соединенных звездой вторичных обмоток првсоедннены соответствующие фазы нагрузкы 1. 2Недостаток известного ре 1 иення состоит в плохом качестве выходного напряжения, обусловливающем ухудшение энер-.гетических показателей и огранттчквающем сверху диапазон частотного управ з ления двигателем.Цель изобретения - улучшение качества выходного напряжения путем умень1щения коэффициента гармоник.Поставленная цель достигается тем,что преобразователь частоты снабжентретьим трехфазным трансформатором спервичным н вторичным комплектамитрехфазных обмоток и дополнительнымтрехфазным днодным мостом с полностьюуправляемым ключевым элементом наего выходе постоянного тока, причемвходные выводы моста н концы первнчной обмотки трансформатора, соединеннойв звезду, подключены к точкам соединення первичных обмоток соответствующихфаз первых двух трехфазных трансформаторов, а вторичная .трехфазвая обмоткавведенного трансформатора своими кон цами включена между концами соответствующих фаз вторичной трехфазной обмотки одного из первых двух трансформаторов и тремя выходными выводами преобразователяля,5На фиг. 1 приведена принципиальнаясхема предлагаемого устройства; на фиг.2 - векторные диаграммы напряженийна элементах отдельных фаз цепи вторичных обмоток трансформаторов и нагрузки, 16соответствующие каждая открытому состоянию одного из шунтирующих тиристоров ца выходе соответствующих диодныхмостов; на фиг. 3 - 5 - временные диаграммы напряжений на тех же элементахустройства, а также соответствующиеэпюры переключающих функций.Предлагаемое устройство содержитосновные силовые трансформаторы 1 и2, первичные обмотки 3 и 4 которыхсоединены пофазно-последовательно вобщую схему треугольника, вершины которого присоединены к питающей трехфазной сети, Точки последовательногосоединения первичных обмоток 3 и 4присоединены к входу переменного токадиодного моста 5. Вторичные обмотки6 и 7 трансформаторов 1 и 2 присоединены как к входам переменного токадиодных мостов 8 и 9, так и к соединяющей их пофазно-последовательно цепииз статорной обмотки 10 и вторичнойобмотки 1 1 дополнительного трансформаторе 12, первичная обмотка 1 3 которогоприсоединена лучами звезды к точкам35пофазно-последовательного соединенияпервичных обмоток 3 и 4 основных силовых трансформаторов 1 и 2. Диодныймост 8 зашунтирован цепочкой из дросселя 14 и тиристора Ч 8, диодный мост409 - цепочкой из дросселя 1 5 и тиристора У , а диодный мост 5 - цепочкойвз дросселя 1 6 и тиристора Ч, Катоды шунтирующих тиристоров Ч о , Чо иЧ 5 соединены коммутирующими конден 45саторами 17 - 19, а их аноды - конденсаторами 20 - 22,На фиг. 2 а - в приведены векторныедиаграммы напряжений для элементовустройства последовательно соединенныхс одной фазой нагрузки, соответствующие50каждая закороченному состоянию одногоиз трех диодных мостов; на фиг. 2 г - е -аналогичные векторные диаграммы напряжений для элементов устройства другойфазы, а на фиг, 2 ж - и - аналогичные55векторные диаграммы напряжений дляэлементов устройства третьей фазы. Наиг. За - г приведены временные диа 374 фграммы напряжений на обмотках ":,11, 7 и 10 устройства, соответствующие поочередному открытому состоянию шунтирующих тиристоров Ч, Ч и Чв на выходе своих диодных мостов 9,5 и 8 согласно эпюрам переключения фиг. Зд -ж. Эти временные диаграммы соответствуют также векторным диаграммам фиг. 2 а - в для той же фазы нагрузки при отношении частоты коммутации к частоте сети равном 1,6. Аналогичные временные диаграммы на фиг, 4 соответствуют второй фазе нагрузки и векторным диаграммам фиг. 2 г - е, а временные диаграммы фиг, 5 - третьей фазе нагрузки и векторным диаграммам фиг,2 ж-иУстройство работает следующим образом.Поочередно закорачивают диодные мосты 5, 8 и 9 на взаимно равные регулируемые интервалы времени с помощью шунтирующих эти мосты тиристоров. Коэффициенты трансформации. основных трансформаторов 1 и 2 и вспомогательного трансформатора 12 выбирают одинаковыми.Открытому состоянию шунтирующего тиристора на выходе диодного моста 8 соответствуют:- работа трансформатора 1 в режиме трансформатора тока вследствие короткого замыкания вторичной обмотки 6 трансформатора 1 и обусловленное этим практически нулевое значение падения напряжения на первичной обмотке 3 трансформатора 1;- подключение каждой из фаз первичной обмотки 4 к линейному напряжению питающей сети.Открытому состоя нию шунтирующего тиристора на выходе диодного моста 9 соответствуют;- работа трансформатора 2 в режиме трансформатора тока вследствие короткого замыкания вторичной обмотки 7 трансформатора 2 и обусловленное этим практически нулевое значение падения напряжения на первичной обмотке 4 трансформатора 2;- подключение каждой из фаз первичной обмотки 3 к линейному напряжению питающей сети;- получение выходного напряжения на нагрузке 10 в виде суммы напряжений на вторичных обмотках 6 и 11 трансформаторов 1 и 12.Открытому состоянию шунтирующего тиристора на выходе диодного моста 5 соответствуют:3 1 б 61- рйбота трансформатора 12 в режиметрансформатора тока вследствие короткаго замыкания первичной обмотки 13трансформатора 12 и обусловленное этимпрактически нулевое значение падениянапряжения на вторичной обмотке 11трансформатора 12;- образование замкнутой нулевой точки одноименных зажимов первичной обмотки 3 трансформатора 1, не отмеченных 10звездочками;- образование замкнутой нулевой точкиодноименных зажимов первичной обмотки4 трансформатора 2, отмеченных звездочками;- образование угла сдвига по фазе60 между фазными напряжениями ЭДСобмоток 6 и 7 трансформатора 1 и 2,соединенных последовательно с выходнойобмоткой 10 (статорная обмотка управнемого асинхронного двигателя) с разных сторон ее одноименных зажимов;- получение выходного напряженияна нагрузке в виде разности напряженийна соответствующих фазах обмоток 6 и7 трансформаторов 1 и 2.Переходу от открытого состояния шунтирующего тиристора на выходе диодногомоста 8 к его закрытию и отпираниюшунтируюшего тиристора на выходе диод-Зйного моста 9, соответствуют:- переход трансформатора 2 с обмотками 4 и 7 в режим короткого замыкания, когда падения напряжения на этихобмотках практически равны нулю; 35- изменение на 180 О начальной фазынапряжения на каждой абазе последовательно соединенных статорной обмотки10 асинхронного двигателя и вторичнойобмотки 11 трансформатора 12; Ю- изменение на 120 о начальной фазыкак первичной 13, так и вторичной 11обмоток дополнительноготрансформато.ра 12,Переходу от открытого состояния юшунтирующего тиристора на выходе диодного моста 9 к его закрытию и отпиранию шунтирующего тиристора на выходедиодного моста 5 соответствуют:- переход трансформатора 12 с об дмотками 11 и 13 в режим короткогозамыкания, когда падения напряжения наэтих обмотках практически равны нулю;- соединение каждой нз первичных обмоток 3 и 4 трансформаторов 1 и 2звездой с общей нулевой точкой, образованной закороченным мостом 5, иобусловленное этим уменьшение в 1,73раза фазного напряжения на каждой из 374 4вторичных обмоток 6 и 7 основных тран"сформаторов 1 и 2 по сравнению с ранеерассмотренными случаями, когда фазыпервичных обмоток этих трансформато-ров поочередно подключались к линейнымнапряжениям питающей сети.Переходу от открытого состоянияшунтируюшего тиристора к его запираниюи отпиранию шунтирующего тиристора навыходе диодного моста 8 соответствуют;- переход трансформатора 1 с обмотками 3 и 6 в режим трансформ.:аторатока вследствие закорачивания вторичной обмотки 6;- подключение отдельных фаз первичной обмотки 4 трансформатора 2 практически к полному линейному напряжению питающей сети,- подключение лучей звезды первичной обмотки 13 к линейному напряженшотрехфазной питающей сети,Далее имеет место повторение коммутационного цикла поочередного закорачивания диодных мостов 8, 9 и 5.Отпирание очередного шунтирующегоВтиристора сопровождается запираниемранее открытого тиристора обратныминапряжениями соответствующей пары коммутирующих конденсаторов 17 - 22, которые перезаряжаются до напряженияпротивоположной полярности в последующий интервал времени по цепи из открытого тиристора, ранее зашунтированногодиодного моста и нндуктивности его шунтируюшей цепочки,Описанному алгоритму работы предлагаемого устройства соответствуют векторные диаграммы напряжений фиг. 2 а-и.Из приведенных диаграмм следует,что после каждого переключения в силовой цепи предлагаемого устройства имеет место скачкообразное изменение начальной фазы напряжения в нагрузке наугол 120 о, Аналогичные зависимостиможно было бы записать для векторныхдиаграмм фиг. 2 г - 2 е второй фазы нагрузки и фиг. 2 ж - и - для третьей фазынагрузки,Для одной из фаз предлагаемого усачройства на фиг. За приведена временнаядиаграмма напряжения 0 на вторичнойобмотке 6 трансформатора 1 при поочередном отпирании шунтируюших тиристоров на стороне постоянного тока диодныхмостов 9,5 и 8 ф на фиг. Зб - напряжение01 на вторичйой обмотке 11 дополнительного трансформатора 12; на фиг. Звнапряжение 0 на вторичной обмотке. 7трансформатора 2; нафиг. Зг - напряже 10017ние на данной фазе нагрузки 10, на фиг. Зд - ж - эпюры коммутационных функций, соответствующих поочередному открытому состоянию тиристоров на выходе диодных мостов 9,5 и Я и скачкообразному изменению как начальных фаз, так и амплитуд напряжений иа указанных элементах устройства. Из принципиальной схемы предлагаемого устройства и приведенных временных диаграмм следует 10 О =О, + - О, Аналогичные зависи Ь 14мости для второй фазы данного устройства приведены на фиг, 4 а - .ж, а для его третьей фазы - на фиг, 5 а - ж.Отрицательный этап напряжения перед 15 О в приведенном выше аналитическом выражении обусловлен присоединением обмотки 7 к одноименным зажимам другой полярности обмотки 10 нагрузки по сравнению с обмотками 6 и 11. Это 20 обстоятельство учитывается также в соответствующих векторных диаграммах фиг. 2.Из кривых фиг. За, 4 а и 5 а следует, что напряжение на вторичной обмотке 6 25 трансформатора 1 определяется поочередным подключением фаз его первичной обмотки 3 к линейному напряжению сети и фазному напряжению сети, а также за-. корачиванием вторичной обмотки 6. Из 50 кривых фиг. Зб, 4 б и 5 б следует, что напряжение на вторичной обмотке 11 трансформатора 12 определяется поочередным подключением лучей звезды его первичной обмотки 13 к различным линейным проводам питающей сети и закорачиванием этой обмотки. Поочередное подключение первичной обмотки 13 трансформатора 12 к различным линейным проводам питающей сети обусловлено поочередным уменьшением практически до нуля падения напряжения на первичных обмотках 3 и 4 трансформаторов 1 и 2 в результате поочередного закорачивания их вторичных обмоток 6 и 7. Из кривыхфиг. Зв, 4 в и 5 в следует, что напряжение на вторичной обмотке 7 трансформатора 2 определяется поочередным подклк- чением фаз его первичной обмотки 4 к линейному напряжению сети и фазному напряжению сети, а также закорачиванием вторичной обмотки 7. Из сравнения отрезков кривых фиг. За и в, относящихся к интервалу открытого состояния шунтирующего тиристора на выходе диодного моста 5, следует, что соответствующие55 отрезки синусоид в этом случае взаимно сдвинуты во времени на шестую часть периода, что обусловлено закорачиванием 374при этом несовпадающих полярностей одноименных зажимов первичных обмоток 3 и 4 трансформаторов 1 и 2. Аналогичный вывод напрашивается из сравнения кривых фиг. 4 а и в, а также кривых фиг. 5 а и в. Все это обусловливает получение кривой напряжения в нагрузке в виде чередующихся равноинтервальных отрезков синусоид, начальные фазы кото- рых изменяются скачкообразно на третью часть периода питающей сети (фиг. Зг, 4 г, 5 г). Известно, что частота основной составляющей этого выходного напряжения выражается зависимостью+со 5и (,3 р+ 1 ) я /3о: - оо= ; 3 р+1хх Мпи-Зр 1)Я 1 ф Ю где Оэ,Я - угловые частоты питающей сети и циклов коммутации;Р - целое число или ноль;- угол начальной фазы напряжения питающей сети;ф - число равное нулю либо единице, либо двум в зависимости от выбора соответствующей фазы нагрузки.При изменении частоты циклов коммутации и выборе ее превышающей частоту питающей сети имеет место соответству-. ющее изменение в широких пределах чаототы основной составляющей выходного напряжения, что может быть использовано, например, для экономичного час- . тотного управления асинхронным двигателем.Таким образом, частота основной соотавляющей напряжения на нагрузке определяется разностью частоты сети и частоты циклов коммутации, а частота вдва раза меньшая по амплитуде бли жайшей составляющей помехи - суммой частоты сети и двукратной частоты циклов коммутации, в то время как в прототипе частота ближайшей составляющей помехи выражается суммой частот сети и циклов коммутации, а ее амплитуда равна амплитуде основной составляющей разностной частоты.Во всех обмотках трансформаторов силовой части предлагаемого устройства, а также в обмотке статора управляемо го асинхронного двигателя имеет место непрерывность тока, что обеспечивает существенное повышение надежности вследствие многократного уменьшения коммута дионных перенапряжений на полупровод9 1001374 10 ннковых элементах, которые имеют мео- вторичным комплектом трехфазных обмото в известном устройстве вэ эа освобож- ток н дополнительным трехфазным диод- дающейся энергии магнитного поля нн- ным мостом с полностью управляемым дуктивностей рассеяния обесточиваемых ключевым элементом на его выходе по. обмоток трансформаторов, стоянного тока, причем входные выводымоста н концы первичной обмотки трансформатора, соединенной в звеаду, подф о р м у л а и з о б р е т е н и я . ключены к точкам соединения первичныхобмоток соответствующих фаз первыхПреобразователь частоты с непосред двух трехфазных трансформаторов, а вто ственной связью по авт. св, % 470046, ричная трехфазная обмотка введенного о т л и ч и ю ш и й с я тем, что, с трансформатора своими концами включена пелью улучшения качества выходного на- между концами соответствующих .фаз пряження путем уменьшения коэффнциен- вторичной трехфазной обмотки одного из та гармоник, он снабжен третьим трех первых двух трансформаторов и тремя фазным трансформатором с первичным и выходными выводами преобразователя,