Преобразователь однофазного напряжения в регулируемое трехфазное

) И 1)1 4 Н 02 М 7/48 ПИСАНИВТОРСКОМ ИЗОБРЕТЕН ИДЕТЕЛЬСТВУ 4 электрическая коммутатора; ф ения; надиаграммы, поователя при 1 изобр На Аиг, схема полу на Фиг. 2 Фиг. 3 и 4 ясняющие р Изобретение от вательной технике пользовано в сист с питанием от ист напряжения (сети) Цель изобретени гетических показатосится к преобр и может быть ис мах электроприв чника однофазно в однико во хема упра а временные боту преобр астотах вых злич диого напряя улучшение энерй преобразоватесширение обласения, Преобраз ел ля и одновременное ти его применения. ватель одн лируемое т зного на фазное и кения в ре СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ И ГКНТ СССР;(71) Ленинградский институт точной механики и оптики(56) Авторское свидетельство СССР Ф 762109, кл. Н 02 М 7/48, 1978.Авторское свидетельство СССР М 1328921, кл, Н 02 Р 7/42, 1985. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В РЕГУЛИРУЕМОЕ ТРЕХФАЗНОЕ (57) Изобретение относится к полупроводниковой преобразовательной технике и может быть использовано в трехфазных электроприводах переменного тока с питанием от однофазной сети. Цель изобретения - повышение энергетических показателей преобразователя и расширение области его применения. Энергетические показатели повышаются за счет увеличения выходного напряжения при одновременном снижении уровня высших гармонических составляющих. Ток в активно-индуктивной нагрузке непрерывен во всем диапазоне регулирования напряжения и частоты, в случае активной нагрузки ток непрерывен при максимальных значениях выходного напряжения и частоты. Регулируемое трехфазное выходное напряжение формируется в предложенном преобразователе при различных видах нагрузки, включая как вращающиеся электрические машины переменного тока, так и статические нагрузки с различным характером сопротивления. Силовая часть преобразователя выполнена по мостовой схеме на четырех транзисторных ключах переменного тока. В одну диагональ моста подключен одноАазный Я источник питания (сеть), а в другуюдве Аазы нагрузки, при этом третья Фаза соединена с одной из клемм источника питания. Схема управления преобразователем обеспечивает, регулирования выходного трехфазного напряжения и частоты, а также обеспечивает автоматическую защиту силового каскада от аварийных режимов в случае появления ложных импульсов и помех.1457125 Фиг. 1 содержит полупроводниковый коммутатор с четырьмя транзисторными ключами 1-4 переменного тока, которые соединены по мостовой схеме. Кодной диагонали моста подключено однофазное напряжение питания. Управление ключами осуществляется от блока5 управления. Одна фаза нагрузки,например 6, подключена к одной из 10 клемм напряжения питания, две другие фазы 7 и 8 подключены к второй диагонали моста.Схема 5 управления по Фиг. 2 состоит из задатчика 9 входного сигнала, 15 индикатора 10 полярности входного сигнала, первого блока фазового сдвига с тремя выходами 11, блока 12 формирования абсолютного значения выходного сигнала, индикатора 13 полярнос ти напряжения питания, трех блоков14-16 сравнения, компаратора 17 входного сигнала, преобразователя 18 напряжение - частота, второго блока 19 Фазового сдвига, блока 20 частотного управления, содержащего четыре элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 21-24, один двухвходовый элемент И-НЕ 25, три трехвходовых элемента И-НЕ 26-28, при этом входы трех элементов ЭКВИВАЛЕНТ- ЗО НОСТЬ 22-24 соединены последовательно между собой по схеме треугольника, вершины которого образуют второй, третий и четвертый входы блока 20 частотного регулирования, первый вход которого образован первым входом элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 21, а пятый и шестой его входы образованы входами двухвходового элемента И-НЕ 25, второй вход элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 21 40 соединен с вторым входом блока 20, выход элемента И-НЕ 25 соединен с первыми входами элементов И-НЕ 26-28, вторые входы которых подсоединены к выходу элемента 21, третьи входы эле ментов 26-28 соединены с выходами элементов 22-24, выходы элементов 26-28 образуют первый, второй и третий выходы блока частотного регулирования. В блок 5 управления входит б 0 блок 29 переключения режимов работы, блок 30 распределения импульсов управления, блок 31 формирования и защиты, содержащий входной трехвходо-. вый элемент И-НЕ 32, четыре двухвхо- бб довых элемента И-НЕ 33-36, выходной трехвходовый элемент И-НЕ 37, трехвходовый элемент И 38, два двухвходовых элемента И 39 и 40 и пять элементов ИЛИ 41-45, при этом входы четырех элементов И-НЕ 33-36 соединены последовательно между собой по схеме замкнутого четырехугольника с четырьмя выводами от его вершин, три из которых образуют второй, третий и первый входы блока 31, а четвертый вывод связан с выходом элемента 32, три входа которого соединены с. входами блока 31, входы трех элементов 41-43 соединены между собой последовательно по схеме треугольника, вершины которо го соединены с тремя входами блока 31, выходы трех элементов 41-43 соединены с входами элемента И 38 и входами элемента И-НЕ 37, выход элемента 38 соединен с первыми входами двух элементов И 39 и 40, вторые входы которых соединены с выходами двух элементов 35 и 36, выход элемента 37 соединен с первыми входами двух элементов ИЛИ 44 и 45, вторые входы которых соединены с выходами двух элементов 33 и 34, выходы с элементов 44 и 45, а также выходы с элементов 39 и 40 образуют четыре выхода блока 31 формирования и защиты.Блок 5 управления включает в себя также блок 46 гальванической развяз" ки и усиления импульсов управления, блоки связаны между собой таким образом, что входы индикатора 10 полярности входного сигнала и блока 12 формирования абсолютного значения вывходного сигнала объединены между собой и подключены к задатчику 9 входного сигнала, выход индикатора 10 полярности входного сигнала подключен к первому входу блока 30 распределе" ния импульсов управления, выход блока 12 формирования абсолютного значения входного сигнала подключен к первым входам трех блоков 14-16 сравнения, вторые входы которых соединены с выводами блока 11 Фазового сдвига, вход блока 11 соединен с входом индикатора 13 полярности напряжения питания и служит для подключения к источнику переменного напряжения, выход индикатора 13 подключен к первому входу блока 20 частотного регулирования,. выходы трех блоков сравнения 14-16 подключены к первым трем входам блока 29 переключения режимов работы, выходы блоков 14 и 16 сравнения подключены так-. же к пятому и шестому входам блока 20, входы компаратора 17 входного сигнала и преобразователя 18 напряжение 1457125частота объединены между собой и подключены к выходу блока 12 абсолютных значений входного сигнала, выход компаратора 17 входного сигнала подключен к четвертому входу блока 29 переключения режимов работы, выход преобразователя 18 напряжение - частота подключен к входу блока 19 фазового сдвига, три выхода которого подключе ны к второму, третьему и четвертому входам блока 20 частотного регулирования, первый, второйи третий выходы блока 20 подключены к седьмому, пятому и шестому входам блока 29 пере ключения режимов работы, первый выход которого подключен к третьему входу блока 31, второй и третий выходы блока 29 соединены с третьим и вторым входами блока 30 распределе ния импульсов управления, выходы которого подключены к первому и второму входам блока 31, выходы блока 31 через блок 46 гальванической развязки и усиления импульсов управления подключены к управляющим входам транзисторных ключей 3, 1, 4 и 2.Преобразователь однофазного напряжения в регулируемое трехфазное работает следующим образом. 30При отсутствии входного сигнала П =0 на выходе индикатора 10 поляр вссности и на выходе блока 12 формирования абсолютного значения входного сигнала формируется сигнал логическо- З 5 го нуля. На выходе компаратора 17 входного сигнала формируется сигнал логической единицы. При этом канал параметрического регулирования (регулирования напряжения при неизмен ной выходной частоте) закрыт логическими ключами в блоке 29 переключения режимов работы, а канал регулирования частоты и напряжения открыт. На выходах блоков 14-16 сравнения полу чают три напряжения с коэффициентом заполнения, равным единице. Напряжения с выходов блоков 14 и 16 сравнения поступают на пятый и шестой входы блока 20 частотногоуправления. 50 Независимо от сигналов на остальных входах данного блока на трех его выходах будут сигналы логических единиц. Аналогичные сигналы будут на выходе блоков 29 и 30, После прохож дения этих сигналов через блок 31 на выходах элементов ИЛИ 44 и 45 будут сигналы, равные "1", а на выходах элементов И 39 и 40 - сигналы "О". Эти сигналы обеспечивают включениеключей 1 и 3 и запирание ключей 2 и4, При уменьшении входного сигналадо нуля фазы 6-8 нагрузки, отключаются от источника литания и замыкаютсямежду собой накоротко, лри этом напряжение на нагрузке равно нулю. Вслучае индуктивного характера нагрузки замыкание фаз накоротко обеспечивает плавное уменьшение тока нагрузки до нуля без возникновения перенапряжений. При наличии входного сигнала положительной полярности, превышающего по своей величине пороговое напряжение блока 17 (У 13 О, фиг. 3), на выходе блока 1 О формируется сигнал "1", а на выходе блока 17 - сигнал "0", При,этом канал регулирования частоты закрыт логическими ключами блока 29 переключения режимов работы, а канал параметрического .регулирования открыт, В этом случае на первый вход блока 30 распределения импульсов управления постоянно поступает сигнал "1", На выходах блоков 14-16 формируются три прямоугольных напряжения, имеющих одинаковый коэффициент заполнения и смещенных по фазе в соответст.с вии с опорными напряжениями Усс, О,ссссИс соответственно на -/6, -/2 и и/6. относительно напряжения питания. В результате работы блока 29 указанные прямоугольные напряжения появляются на его трех выходах, приэтом напряжениепоступает на персс вый вход блока 31, а 11 и 13 - на второй и третий входы блока 30 распределения импульсов. При наличии сигнала "1" на первом входе блока 30 на его первом выходе будет напряжесние, аналогичное Б, а на втором -сссаналогичное П . В блоке 31 с помощью элементов И-НЕ 32-36 формируются импульсы управления ключами переменного тока, которые при наличии разрешающих импульсов узла защиты проходят через элементы 44, 45, 39 и 40 и поступают через блок 46 гальванической развязки и усиления импульсов управления на управляющие входы соответствующих ключей 3, 1, 4 и 2, Работа ключей в соответствии с полученными импульсами управления обеспечивает формирование трехфазной системы выходных напряжений, значения которых регулируются путем ши 14571ротно-импульсной модуляции однофазного напряжения питания.Узел защиты, состоящий из девяти элементов (37-45) защищает полупро 5 водниковый коммутатор от возникновения режимов сквозного короткого замыкания при появлении ложных сигналов управления. Если два из трех входных напряжений блока 31 оказы- О ваются одновременно равными "0", то напряжение на выходе 37 равно "1", а на выходе 38 - "0". В результате на выходе 39 и 40 будут сигналы "0", а на выходе 44 и 45 - "1", Ключи 2 и 4 5 заперты, а 1 и 3 включены, фазы нагрузки отключены от источника питания и замкнуты накоротко между собой.Выходное напряжение в фазах нагрузки регулируется в диапазоне от нуля 20 до максимального значения, приблизительно равного полонине напряжения питанияВ кривой выходного напряже" ния при его максимальном значении отсутствуют интервалы шунтирования, при этом ток нагрузки независимо от ее характера будет всегда непрерывным. Малые пульсации непрерывного тока нагрузки, приближающегося по своей форме к синусоидальному, обеспечи вает повышение энергетических показателей преобразователя.При изменении полярности входного сигнала на выходе индикатора 10 полярности входного сигнала формируется сигнал "0", который, поступая на первый вход блока 30, обеспечивает переключение каналов прохождения импульсов управления ключами полупроводникового коммутатора таким обра зом, что импульсы, которые поступали на вход ключей 3 и 2, будут поступать на вход ключей 1 и 4 и наоборот. Это, в свою очередь, изменяет порядок следования фаз выходного напряжения. 45 При уменьшении входного сигнала положительной полярности до значения, меньшего порогового напряжения блока 17, на выходе блоков 10 и 17 фор- БО мируется сигнал "1". В этом случае канал параметрического регулирования заперт логическими ключами блока 29, а канал частотного регулирования открыт, На выходе преобразователя 55 18 напряжение " частота будет напряжение, частота которого пропорциональна абсолютному значению входного сигнала. На выходах блока 19 фазового сдвига имеются три прямоугольных9напряжения Б Ц, и 0 смешенных по фазе друг относительно другана угол 2 /3 (фиг, 4), которые поступают на второй, третий и четвертый входы блока 20 частотного регулирования, на первый вход которогопоступает информация о знаке напряжения сети в виде напряжения 11 . Напятый и шестой входы блока 20 поступают прямоугольные напряжения Б и11 с заданным коэффициентом заполнения, определяющим значение выходногонапряжения преобразователя,С,помощью трех элементов ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 22-24 формируются три прямоугольных напряжения , 12 и Бпо признаку одинаковой полярностимодулирующих, напряжений блока 19,Напряжения 1, Пи 3 , имеющие длительность в 1/6 периода модулирующихнапряжений, определяют соответственно интервалы. работы трех пар ключей1 и 4, 2 и 4, 2 и 3, формирующихвыходное напряжение пониженной часто-.ты. Элемент ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 21 формирует напряжение Б определяющееинтервалы возможного включения указанных пар ключей, исходя из условияобязательного совпадения полярностейнапряжения питания модулирующего напряжения Б, , Элемент И-НЕ 25 формирует напРяжение 1, определяющее ширину импульсов выходного напряженияпреобразователя. С целью снижения выходного напряжения при работе преобразователя в зоне пониженных частот,а также для снижения пульсаций мгновенного тока нагрузки использованытолько два блока 14 и 16 сравнения.Выходы элементов 21 и 25 подаются напервые и вторые входы элементов И26-28, на третьи входы которых поступают напряжения 0 д, 1и 0 . На выходе элементов 26-28 формируютсяпрямоугольные напряжения .1, Ц икоторые после прохождейия блоков29 и 30 поступают. в блок 31. В блоке31 с помощью элементов 32-36 формируются импульсы управления ключами 1-4,В результате работы ключей на выходепреобразователя формируется трехфазная система регулируемых по частотеи по действующему значению напряжений (фиг. 4). В случае появления ложных сигналов управления в преобразователе срабатывает автоматическая защита, отключающая нагрузку от напря1457125 жения питания. При изменении полярности входного сигнала в блоке 30 происходит переключение каналов прохождения импульсов управления ключами, что обеспечивает изменение порядка следования фаз выходного напряжения.Таким образом, изобретение позволяет преобразовать однофазное напряжение в регулируемое трехфазное напряжение, характеризуемое повышенным действующим значением при максимальном входном сигнале, а также улучшенным гармоническим составом, обеспечивающим снижение пульсаций тока нагрузки. 5 10 15 20 30 35 40 45 50 55 регулирования содержит четыре элемента ЭХВИВАЛЕНТНОСТЬ, один двухвходовый элемент И-НЕ и три трехвходовых элемента И-НЕ, при этом входы второго, третьего и четвертого элементов ЭКВИФормула изобретения Преобразователь однофазного напряжения в регулируемое трехфазное, состоящий из полупроводникового коммутатора в виде четырех силовых транзисторных ключей переменного тока и блока управления, содержащего задатчик входного сигнала, индикатор полярности входного сигнала, два блока фазового сдвига с тремя выходами каждый, блок формирования абсолютного значения входного сигнала, индикатор полярности напряжения питания, три блока сравнения, компаратор входного сигнала, преобразователь напряжение - частота, блок частотного регулирования, блок переключения режимов работы, блок распределения импульсов управления, блок формирования и защиты, блок гальванической развязки и усиления импульсов управления, при этом входы индикатора полярности входного сигнала и блока формирования абсолютного значения входного сигнала объединены и соединены с выходом задатчика входного сигнала, выход индикатора полярности входного сигнала соединен с первым входом блока распределения импульсов управления, выход бдока формирования абсолютного значения входного сигнала подключен к первым входам трех блоков сравнения, вторые входы которых соединены с выходами первого блока фазового сдвига, вход которого соединен с,входом индикатора полярности напряжения питания и служит дпя подключения к источнику переменного напряжения, выход индикатора полярности напряжения питания подключен к первому входу блока частотного регулирования, выходы трех блоков сравнения подключены к первым трем входам блока переключения режимов работы, входы компаратора входного сигнала и преобразователя напряжениечастота объединены и соединены с выходом блока формирования абсолютныхзначений входного сигнала, выходкомпаратора входного сигнала подключен к четвертому входу блока переключения режимов работы, выход преобразователя напряжение - частота подключен к входу второго блока Аазового сдвига, три выхода которого подключены к второму, третьему и четвертому входам блока частотного регулирования, пятый вход этого блока подключен к выходу первого блока сравнения, три выхода блока частотного регулирования подключены к пятому, шестому и седьмому входам блока переключения режимов работы, первый выход которого подключен к третьему входу блока формирования и защиты, второй и третий выходы блокапереключения режимов работы соединены с третьим и вторым входами блока распределения импульсов управления,выходы которого подключены к первомуи второму входам блока формирования изащиты, содержащего трехвходовый элемент И-НЕ, выход блока формирования и запяты через блок гальваническойразвязки и усиления импульсов, предназначен для подключения к управляющему входу одного транзисторногоключа полупроводникового коммутатора,о т л и ч а ю щ и й с я темчто, сцелью повышения энергетических показателей преобразователя и одновременного расширения области его применения, полупроводниковый коммутатор"выполнен по мостовой схеме, одна диагональ которой подключена к источникуоднофазного напряжения питания, а кдругой диагонали подключены две фазынагрузки, третья фаза нагрузки подключена к одной из клемм напряженияпитания, в блоке управления блок частотного регулирования снабжен шестымвходом, соединенным с выходом третьего блока сравнения, блок частотногоВАПЕНТНОСТЬ соединены последовательно между собой так, что первые входы второго, третьего и четвертого элементов ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ образуют вто 5 рой, третий и четвертый входы блока частотного регулирования, первый вход которого образован первым входом первого элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ, а пятый и шестой его входы образованы 10 входами двухвходового элемента И-НЕ, второй вход первого элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ соединен с вторым входом блока частотного регулирования, выход двухвходового элемента И-НЕ сое динен с первыми входами трех трехвходовых элементов И-НЕ, вторые входы которых соединены с выходами первого элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ, третьи входы трех элементов И-НЕ соединены со ответственно с выходами второго, третьего и четвертого элементов ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ, выходы трех трехвходовых элементов И"НЕ образуют первый, второй и третий выходы блока частотного регулирования, которые соответственно соединены с седьмым, пятым и шестым входами. блока переключения режимов работы, блок формирования и защиты снабжен дополнительными вто рымтретьим и четвертым выходами, которые через блок гальванической развязки и усиления импульсов предназначены дпя подключения к управляющим входам трех остальных транзисторных ключей полупроводникового ком-мутатора, в блок формирования и защиты введены дополнительно трехвходо вый элемент И-НЕ, четыре двухвходовых элемента И-НЕ, два двухвходовыхэлемента И, один трехвходовый элемент И и пять элементов ИЛИ, при этомвходы четырех двухвходовых элементовИ-НЕ соединены последовательно междусобой по схемЕ замкнутого четырехугольника с четырьмя выводами от еговершин, первые три вывода соединенысоответственно с вторым, третьим ипервым. входами блока формирования изащиты, а четвертый вывод - с выходомпервого трехвходового элемента И-НЕ,входы первых трех элементов ИЛИ соединены между собой последовательнопо схеме треугольника, вершины которого соединены с тремя входами блокаформирования и защиты, выходы трехэлементов ИЛИ соединены с входамитрехвходового элемента И и входамивторого трехвходового элемента И-НЕвыход трехвходового элемента И соединен с первыми входами двухвходовыхэлементов И, вторые входы которыхсоединены с выходами третьего и чет- .вертого двухвходовых элементов И-НЕ,выход второго трехвходового элементаИ-НЕ соединен с первыми входами четвертого и пятого элементов ИЛИ, вторые входы которых соединены с выходами первого и второго двухвходовыхэлементов .И-НЕ, выходы четвертого ипятого элементов ИЛИ, а также выходыдвухвходовых элементов И образуют че.тыре выхода блока формирования и защиты.114571 25 Составитель И.Амельченкоактор А.Ворович Техред М.Дидык орректор С.Черн Заказ 7492/56ВНИИПИ государ ГКНТ СС тная, 4 11 роц.з УдйЧ Ма фе /14 Ъ фгд Тираж 645 Подписное венного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж"35, Раушская наб., д. 4/5 ственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул.