Статический преобразователь частоты

(71) Ленинградский институт авиационного приборостроения(56) 1. Авторское свидетельство СССР . У 758431, кл. Н 02 И 5/27, 1978.2. Авторское свидетельство СССР В 782084, кл. Н 02 И 5/27, 1978.3. Авторское свидетельствоСССР У 930530, кл, Н 02 И 5/27, 197.4. Попов В.И. Электромашиниые совмещенные преобразователи частоты. И., "Энергия", 1980, с. 5-9.5, Загрядцкий В.И. и др, Введение в бесконтактвые электромеханические системы повышенной частоты. Кишинев,.Штиинца, 1975, с. 68, рис. 24 (прототип)..(54)(57) СТАТИЧЕСКИЙ ПРЮВРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащйй трансформаторс вращающимся магнитньаа полем, вход:ная и выходная трехфазные обмотки л.Ф Еш ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИОМИТЕ;Т СФОРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИЙ ОПИСАНИЕ ИЭн сстссснонсГ осССстсоьс которого выполнены с различным числом полюсов - 2 р 1 и 2 р 2 и располо-жены на общем кольцевом магннтопроводе по типу магнитопровода электрических машин переменного тока;о т л и ч а ю щ.и й с я тем, что, сцелью улучшения энергетических характеристик и расширения функциональныхвозможностей, в него введены многофазный выпрямитель и многофазныйполупроводниковый инвертор, выполненные по многофазным многоблочныммостбвым схемам, а кольцевой магнитопровод трансформатора дополнительно снабжен двумя многофазными обмотками, выполненными с различным чис-лом полюсов, причем концы одной многофазной обмотки с числом полюсов2 р 1 подключены к входу многофазного юевыпрямителя, а концы .второй много- ффффффазной обмотки с числом полюсов 2 р 2подключень к выходу многофазногополупроводникового инвертора, соединенного своим входом постоянного тока с .выходом многофазного выпрямите:иловой преобразовательной техники,в частности к статическим преобразователям магнитовентильного типа, вкоторых используется трансформатор,выполненный на магнитопроводе потипу статора электрической машиныпеременного тока с вращающимся магнитным полем, и может найти применение в системах электропитания в,1 акачестве вторичного источника напря-жения стабильной или изменяющейсячастоты с трансформаторным входом ивыходом, например, для питания разнообразных потребителей, частота15питания которык выше или ниже часто"ты промышленной сети, а также дляодновременного питания потребителейпостоянным током,Известны преобразователи частоты,для которых характерным является наф 20личие двух многообмоточных трансформаторов входной и выходной частоты,используемых для целей согласованияуровней напряжений питающей сети,преобразователя и нагрузки, какразделительные, н в то же времякак ферромагнитные преобразоватеЛичисла фаз для организации многофазной структуры преобразования, обеспечивающей высокое качество потребляемого тока и выходного напряженияпреобразователей 13-3 .Наличие в этих преобразователяхнескольких трансформаторов соизмеримой мощности, выполненных на магнитопроводах разных типоразмеров,приводит к увеличению массы и габари- .товповышенному расходу активных иконструкционных материалов на единицу мощности преобразователя, большой 4 бустановленной мощности трансформаторного оборудования и повышению трудоемкости его изготовления.Известны электромашинные преобра. зователи частоты,-в которых использован принцип совмещения несколькихвращающихся магнитных полей в общеммагнитопроводе, Такие совмещенныепреобразователи частоты представляютсобой электрическую машину; на статоре и роторе. которой в общих пазахразмещены разнополюсные обмотки."отдельных" машин преобразователя,между которыми взаимная индуктивнаясвязь отсутствует. 55Такое совмещение магнитных системнескольких электрических машин вобщем магнитопроводе снижает массу 794 2и габариты преобразователя, улучшает использование активных материалов,повышает энергетические показателии дает значительный экономическийэффект 4 ),Однако недостатками электромашинных совмещенных преобразователейчастоты являются плохие виброакустические характеристики, износ щетоки подшипников, механические потери,пониженный коэффициент мощноститребует применения емкостноф компенсации; В таких преобразователях приопределеннык условиях одновременноедействие в совмещенном магнитопроводе несколько магнитных полей можетпривести к возникновению значительных электромагнитных сил вибрационного характера, способных привестик нарушению нормальной работы преобразователя, возрастанию намагничивающих токов и магнитных потерь,появлению дополнительных шумов.Наиболее близким к предлагаемомуявляется статический ферромагнитныйпреобразователь частоты с вращающимся магнитным полем, содержащий общийкольцевой магнитопровод, выполненныйпо тину магнитопроводов машин переменного тока, в пазах. которого расположены многофазные первичная и вторичная обмотки с различным числомполюсов, а на ярме магнитопроводарасположена обмотка подмагничивания,питаемая от выпрямительного моста,подключенного зажимами переменноготока к концам первичной обмотки.Принцип действия такого преобразователя,представляющего собой трансформатор с насыщенным вращающимсяи постоянным магнитными полями ферромагнитным магнитопроводом, основанна выделении высших гармоническихЭДС четного или нечетного порядкаво вторичных обмотках, полюсностькоторого кратна номеру выделяемыхгармоник. Простота, компактность,надежность и относительная дешевизна отличают его от преобразователейдругих типов, Применение в такихпреобразователях частоты совмещенныхобмоток позволяет усовершенствоватьих конструкцию и улучшить массогабаритные показатели устройства 5.Однако использование в известномпреобразователе частоты трансформатора с насыщенным магнитопроводомприводит к большим потерям энергиив нем, и как следствие, невысокому4 4ного выпрямителя, а концы второймногофазной обмотки с числом полюсов2 р 2 подключены к выходу многофазногополупроводникового инвертора, соединенного своим входом постоянноготока с выходом многофазного выпрямителя,Реализация в таком преобразоватетф ле идеи магнитного совмещения трансформаторов входной и выходной частот за счет использования свойств вращающихся магнитных полей. позволяет выполнить входную и выходную трехфазные разнополюсные обмотки,. а также многофазные разнополюсные, обмотки в пазах одного общего магнитопровода с подключением многофазных обмоток к многофазному выпрямителю и многофазному инвертору. Такой"двухчастотный" трансформатор с вращающимся магнитным полем обладает минимальными весом и габаритом, благодаря пониженному расходу активных и конструкционных материалов уменьшается установленная мощность трансформаторного оборудования. Использование "двухчастотного" трансформатора в совокупности с многофазным выпрямителем и подключенным к нему многофазным инвертором с соответствующими многофазными вентильными обмотками позволяет при высоком качестве потребляемого преобразователем тока и выходного напряжения расширить диапазон регулирования выходной частоты преобразователя при нагрузке различного характера по отношению к частоте питающей сети, достичь плавности регулирования частоты, а также одновременно питать потребителей постоянным током. Такое построение преобразователя частоты при многократном преобразовании обеспечивает более высокий КПД и меньшую установленную мощность в сравнении с известным устройством, а также высокое качество потребляемого преобразователем тока и выходного напряжения. На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого преобразо" вателя частоты на примере выполнения выпрямителя и полупроводникового инвертора по эквчвалентной и-фазной исхеме; на фиг, 2 - схема пространственного расположения обмоток трансформатора для этого случая. А, В, С -з 11779входному коэффициенту мощности и КПД.Дпя повышения коэффициента мощностии улучшения внешней характеристикипреобразователя в нем устанавливаются дополнительные конденсаторы емкосткой компенсации, соизмеримой спреобразователем мощности, что приводит к увеличению веса и габаритовустройства. Кроме того, вследствиенезначительности амплитуды и мощности 0рабочей гармоники повышенной частотытока коэффициент использованияустановленной мощности преобразователя является низким. В связи с этимнеэффективно также,использованиегармоник выше третьей. Получение больших кратностей преобразования частоты возможно при каскадномсоединении преобразователей, однакоэто усложняет устройство, приводитк увеличенному расходу активного материала, большому весу, снижениюКПД, Этот преобразователь частотыневозможно использовать в широкомдиапазоне частот, а, также при колеба киях напряжения питающей сети, чтоограничивает область примененияустройства,Целью изобретения является улучшение энергетических характеристикпреобразователя частоты: повышениекоэффициента мощности, КПД, уменьшение установленной мощности оборудо.вания при широком диапазоне регулирования частоты и расширение функциональных возможностей устройства З 5при повьнпенньпс требованиях к качеству потребляемого преобразователемтока и выходного напряжения .Для достижения поставленной цели,в статический преобразователь часто .ты, содержащий трансформатор с вращающимся магнитным полем, входнаяи выходная трехфазные обмотки которого выполнены с различным числом полюсов - 2 р 1 и 2 р 2, и расположенына общем кольцевом магнитопроводепо типу магнитопровода электрическихмашин переменного тока, введенымногофазный выпрямитель и многофазный полупроводниковый инвертор,50выполненные по многофазным многоблочным мостовым схемам, а кольцевоймагнитопровод трансформатора дополнительно снабжен двумя многофазнымиобмотками, выполненными с различным 55 ш-фазной соответственно мостовойчислом полюсов, причем концы одноймногофазной обмотки с числом полюсов 2 р 1 подключены к входу многофаз1 О фазы входной обмотки; а, Ъ, с - фазы выходной обмотки; 0,1, Е 1 - напряжение и частота питающей сети переменного тока; П, Г - напряжение и частота выходного напряжения преобразовате ля; и - число блоков многофаэного выпрямителя; ш - число блоков многофаэного инвертора; А-А, В-В, С-С 11 - фазы многофазной обмотки с чйслом полюсов 2 р 1; а 1-а 1, Ь-Ь 1 ь, с-с - фазы многофазной обмотки .с числом:. полюсов 2 р 2.Иногофазный трансформатор 1 с вращающимся магнитным полем выполнен на одном общем кольцевом шихтованном магнитопроводе 2, в одних и тех же пазах которого размещены следующие обмотки, выполненные по типу обмоток машин переменного тока: входная трехфазная обмотка 3 с числом полюсов 20 2 р 1, выходная.трехфазная обмотка 4 с числом полюсов 2 р 2, многофазная обмотка 5 с числом полюсов 2 р 1 и многофазная обмотка 6 с числом полюсов 2 р 2. Многофазные обмотки 5 и 6 разделены на симметричные трехфазные группы, соединенные каждая звездой, Входная обмотка 3 соединена в звезду. Выводы ее фаз А, В, С являются входом преобразователя и подключены к трех- З 0 фазной первичной сети переменного тока с частотой Е и напряжением 01. Многофазный выпрямитель 7 выполнен на основе трехфазной мостовой схемы с параллельным соединением и выпрямительных блоков и подключен своими входными выводами переменного тока к концам 1 раз А-А, В-В, С-С 11 многофазной обмотки 5. Выход многофазного выпрямителя 7 соединен с вход ными выводами постоянного тока многофазного полупроводникового инвертора 8, который также выполнен на основе трехфазной мостовой схемы с параллельным соединением ш инвер .торных блоков. Выходные выводы переменного тока многофазного инвертора 8 подключены к концам фаз а-а Ь-Ь с-с,1 многофазной обмотки 6, Выводы фаз аЬс выходной обмотки 4,50 соединенной в звезду, являются выхо-, дом преобразователя, с них снимается трехфазное напряжение П с частотой Е,УВходная трехфазная обмотка 3 трансформатора и многофазная обмотка 5, как и выходная трехфаэная обмотка 4 :и многофазная обмотка 6, индуктивно связаны друг с другом. Между обмотками 3 и 5 с числом полюсов 2 р 1 и обмотками 4 и 6 с числом полюсов 2 р 2 взаимная индуктивная связь отсутствует.Преобразователь работает следующим образом.При подключении входной обмотки 3 трансформатора к трехфазной первичной сети переменного тока с частотой Г.1 в кольцевом магнитопроводе 2 трансформатора образуется вращающееся 2 р 1-полюсное магнитное поле Ф. Поскольку фазы обмотоки 5 имеют индуктивную связь с полем Ф, на выводах переменного тока выпрямйтеля 7 действует многофаэная система ЭДС. Трехфазные группы обмотки 5 расположены с пространственным электрическим сдвигом на угол Т(/Зь друг относительно друга (фиг. 2). На выходе многофазного выпрямителя 7 формируетсяпостоянное напряжение П,1 с малым коэффициентом пульсаций,и частотой пульсаций СГ, которое поступает на входные выводы многофазного инвертора 8. Вентильные мосты инвертора коммутируются с временным сдвигом ИЗпи формируют в фазах обмотки 6 многофазную систему напряжений с частотой Г . Результирующее вращающееся 2 р 2-полюсное магнитное поле ф 2 системы .токов этой обмотки наводит в индуктивно связанной с этим полем выходной обмотке 4 трехфазную систему многоступенчатых ЭДС с низким процентным содержанием высших гармоник. Таким образом, обмотки 3 и 6 создают в общем кольцевом магнитопроводе трансформатора 1 два одновременно действующих разнополюсных магнитных поляСовместное действие в общем магнитопроводе раэнополюсных полей фи ф налагает определенные условия на выбор электромагнитных нагрузок трансформатораИагнитопровод трансформатора должен быть ненасыщенный, что является одним иэ условий синусоидального распределения магнитных полей ф и1 ф по своим полюсным делениям и .одновременно исключает проникновение входной частоты на выход преобразовйтеля, и наоборот, а также обеспечивает высокое качество потребляемого преобразователем тока и выходного напряжения. Для этой же цели применяется многофазное построение выпрямителя и инвертора преобразователят4 3Благодаря тому, что магнитные цепи трансформатора ненасыщены и в них практически отсутствуют воздушные зазоры, намагннчивающий ток трансформатора незначителен (3-8 Х) и преобразователь имеет высокий коэффициент мощности на входных зажимах (СозЧ"4) следовательно, в нем нет необходимости в установке, компенсирующих конденсаторов. Реактивный ток нагрузки преобразователя замыкается через группы обратных диодов инвертора и цепь постоянного тока без влияния на величину коэффициента мощности на входе. Внешняя характеристика этого преобразователя является более пологой, чем у известного.При больших кратностях преобразования частоты хорошо. используется уста новленная мощность трансформатора преобразователя. Амплитуда основной рабочей гармоники вращающегося магнитного поля Ф не зависит от соотношения частот Е и Г . По этой же причине мощность и КПД преобразователя практически не зависят от выходной частоты. Диапазрн выходной частоты преобразователя, который задается автономным многофазным инвертором 8, ограничивается только свойствами материала магнитопровода трансформатора 1.Нормальное функционирование устройства при нагрузках различного характера обеспечивается многофазной структурой преобразования, позволяющей получить близкое к синусоидальному распределение магнитных полей Ф и Ф 2 по полюсным делениям 1 и Т Преобразователь сохраняет свою работоспособность при колебаниях напряжения питающей сети.Инвертор и выйрямитель преобразователя могут быть выполнены и по другим схемам, обеспечивающим высокое качество потребляемого тока и выходного напряжения, например по резонансным или каскадным, однако это ограйичит. диапазон возможных нагрузок, с которыми работает данный преобразователь.Таким образом, по сравнению с известным предложенный преобразователь частоты имеет более высокий совЧ на входе, что обеспечивается отсутстви-. ем насыценных магнитных полей в, трансформаторе, низким содержанием высших гармоник в разнополюсных врацающихся полях и отводом реактивного тока. через обратные диоды инвертора. 7 111779поскольку при такой структуре в тран-.сформаторе образуются круговые магнитные поля с малыми пульсациями и высокой степенью равномерности вращения. Вращение магнитных полей ф 1 иф может быть как согласным, так ивстречным,Обмотки трансформатора необходимовыполнять, устраняя взаимные индуктивные связи между разнополюснымиобмотками, расположенными в общихпазах, т,е. необходимо устранить влияние поля ф 2 р 1-полюсной обмотки 31на 2 р 2-полюсные обмотки 4 и 6 и поляф 2 2 р 2"полюсной обмотки 6 йа 2 р 1 полюсные обмотки 3 и 5. Это достигает- .ся выбором соответствующих шагов обмотки, соответствующим распределением катушечных групп в Фазах, ограничением числа параллельных ветвей обмоток.Так, например, при соотношении чисел пар полюсов обмоток р 2/Р 1 мЗ обмотка 3 и обмотка 4 трансформатора взаимоиндуктивно друг с другом не связаны,если обмотка 3 с числом полюсов 2 р 1выполнена двухслойной с шагом у == 2/ЗфС 1, где- полюсное деление поля ф,ф 1, и соединена в одну или двепараллельные ветви, а обмотка 4 счислом. полюсов 2 р 2 выполнена однослой ной или двухслойной с диаметральнймшагом у = где Т - полюсное деленИе.2. 2 ф 2поля ф, и соединена в одну пара ьную ветвь 1 а = 1). При соотношениичисел пар полюсов обмоток 2 р/Р 12 об-З 5мотка 3 и обмотка 4 трансформаторавзаимоиндуктивно .друг с другом не связаны, если общотка 3 с числом полюсов 2 р 1 выполнена однослойной или двухслойной с диаметральным шагом у =г 4 Офа обмотка 4 с числом полюсов 2 р 2 выполнена с шагом у.ь и соединена водну параллельную ветвь.В этих случаях вредные действияэлектродействующих сил, наводимых в 45катушечных группах обмотки 3 полем фи в катушечных группах обмотки 4 полем .Ф, сводятся к нулю, и эти обмотки можно соединить как звездой, чеки треугольником. Такие условия устранения вэаимоиндуктивных связей междудвумя разнополюсными обмотками,. расположенными в общем магнитопроводе,справедливы и для многофазных обмо"ток 5 и 6. Основным условием выбора 55числа лазов магнитопровода являетсявоэможность выполнения многофазныхобмоток с требуемым числом полюсов.911 При выходной мощности 4 кВт преобразователь имеет на входных зажимах сов 9О, 95 (у известного соз М0,2-0,4, что требует установки конденсаторов емкостью 200 мкФ). Предложенное устройство преобразует промышленную частоту 50 Гц в повышенную частоту в диапазоне 40017794 101500 Гц при КПД не менее 783 и массепреобразователя, 115 кг и допускаетрегулирование частоты и величины вы-фходкого напряжения. В известном устЗ ройстве возможно получение толькоудвоенной (100 Гц) или утроенной(150 Гц) частоты при КПД 62-753,массе 185 кг и выходной мощностипреобразователя 4,5-6,2 кВт,1117794 Составитель Г. Мыцыка Техред Л. Кощобняк Сирохм Корректо акто ед р Т, КугрцшеЮеаказ 7273/41ВНИИПИ Гоно дела113035, Мосх Тираж 6 Подниса СССР ударственного комите изобретений и откры а, Ж, Раушская на