Многофазный преобразователь частоты с вращающимся магнитным полем

аСЕСОКЦНЛу ф.й ЩАДЯ- уфФ". ф",рд;, О П И С А НМ"Ж ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 221277 (21) 2558668/24-07 с присоединением заявки М Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(53) УДК 621,314, .263(088,8) Дата опубликования описания 300580(54) МНОГОФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМДанному преобразователю присущи сложность силовой схемы, связанная с необходимоствю увеличения числа отводов преобразователячисла фаз и числа ключей для получения удовлетворительной формы кривой выходного напряжения; сложность управления, связанная с необходимостью формирования управляющйх сигналов, частота которых равна разности между требуемой частотой и частотой питания.Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. Упрощение силовой схемы и управления преобразователем.Указанная цель достигается тем, что в многофазном преобразователе частоты с вращающимся магнитным полем, содержащем магнитопровод с расположенными на нем многофазной соединенной в звезду первичной обмоткой, концы которой через ключевые элементы соединены с выводами для подключения источника питания, и многофазной вторичной обмоткой, в каждой фазе первичная обмотка вйполнена из двух ветвей противоположной полярности, каждая из которых состоит из двух секций, соединенных Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в преобразовательных установках и системах электропривода, где требуется регулирование частоты в обе стороны относительно частоты питающей сети.Известны непосредственные преобразователи частоты, в которых каждая фаза нагрузки подключается к фазам питающей сети или к отводам трансформаторного преобразователя числа фаз циклически через равные промежутки времени, Такие преобразователи экономичны и обеспечивают плавное регулирование частоты в обе стороны относительно частоты питания, однако их силовые схемы и схемы управления сложны.Наиболее близким к данному УстройО ству по технической сущности является многофазный преобразователь частоты с вращающимся магнитным полем, содержащий магнитопровод с расположенными на нем многофаэной соединенной 25звезду первичной обмоткой, концы которой через ключевые элементы соединены с выводами для подключения источника питания, и многофазной вторичной обмоткой.-35 согласно-последовательно и подключенйьфй"одйоимеййыми"выводаяи"к .соответствующим ключевым элементамданной фазы. Кроме того, в многофаэном преобразователе частоты с вращающимся магнитным полем магнито провод состоит из двух частей, причем расположенные на них первичныеи вторичные обмотки имеют противоположные направления намотки витков.Благбдаря укаэаннойу-выполйениюформирование вращающегося магнитного- поля и регулирование частоты его вращения осуществляется не междуфазными-переключениями, а путем переключениячисели полярности ветвей каждой,фазы. этим достигаетсяуменьшение ,15числа ключей силовой схемы и оДновременйо упрощение управления, кото-рое становится" не частотным, "а"программным.Сущность изобретений поясняется 2 Очертежами, где на фиг,1 показан" прймер выполнения магнитопроводапреобразователя; йа ФиГ.2 - йримервыполнения одной ветви кащцой"фаэЫ;на фиг.З - схема подключения первичной обмотки; на фиг.4 - трехфазнаясистема токов первичной обмотки"приотсутствии переключений; на Фиг.5пространственное распределение чиселвитков фаз первичной обмотки; наФиг.б - вращающееся магнитное полепри отсутствии переключений; нафиг.7 - получение удвоенной частотывращения магнитного поля; на Фиг.8получение учетверенной частоты вращениямагнитного поля; на фиг. 9получение половинной частоты вращения магнитного поля; на фиг.10получение полуторакратной частотывращения магнитного поля; на фиг.11.времейные диаграммы намагничивающих 4сил трех фази ихсумма при половин- ной частоте вращения; на фиг.12с 3 сема преобразователя с двумямагнитопроводами с использованием естественной коммутации тиристоров.Магнитопровод преобразователя,изображеннйй на Фиг.1, выполнен потипу магнйтных систем электрическихмашин переменного тока. Магнитопровод мбжет быть выполнен цельным сотверстиями или для удобства монтажаразъемным; т,е, состоящимиз"Двухчастей, аналогичных статору и ротору электрических машин и имеющих пазы для укладки обмоток. На фиг.1линия разъема показана пунктиром по 55осямотверстий (пазов) .В отверстиях или пазах магнито-,провода уложены первичная обмоткаи вторичная обмотка",выйолйеяныепо типу обычных многофазных распре- щделенных обмоток электрических машини имеющие одинаковые числа полюсов.Числа фаз могут быть различны. Ковторичной обмоткепОдключена многофазная нагрузка,Каждая фаза первичной обмоткисостоит из четырех идентичных ветвей,На Фиг.2 показан пример выполненияодной ветви каждой иэ трех Фаэ, аименно ветвь фазы А показана штрихпунктирной линией, ветвь фазы Влинией тире-две точки и ветвь фаэйС " пунктирной линией. Как видно иэфиг.2,каждая фазная ветвь выполненапо типу простейшей двухполюсной обмотки с полным шагом (4 паза на полюси фазу) .На фиг.З представлена схема подключения первичной обмотки к зажимам А,В,С,О питающей сети. Четыреидентичные секции двух ветвей каждойфазы имеют попарно-противоположнуюмаркировку выводов (полярность),Полярность обмоток показана на фиг.Зточками, Каждые две секции однойполярности, соединенные последовательно, пбдключены к фазному напряжению источника питания через ключ,Точка соединения двух секций однойполярности также подключена к той жефазе через ключ, Таким образом, ккаждой фазе источника питания подключены одноименные выводы всех четырехсекций. Все ключи полностью управляемые и безинерционные.В дальнейшем изложении предполагаем, что все ключи на фиг.З пронумерованы слева направо. При замкнутом первом ключе и разомкнутых остальных к фазе А подключена одна секцияусловно положительной полярности,при замкнутом втором ключе - двесекции той же полярности, при замкнутом третьем ключе - одна секцияусловно отрицательной полярности,при замкнутом четвертом ключедве секции отрицательной полярности.Аналогичным образом подключаютсячетыре секции обеих полярностей фазыВ вторыми четырьмя ключами и фазы Состальными четырьмя ключами,Фазные токи угловой частоты (в питания трех фаз первичной обмотки приподключений в каждой фазе по однойсекции одинаковой полярности изображены на фиг.4: штрих-пунктиром дляФазы А, линией тире-две точки дляфазы В и пунктирной линией для фазыС. Такими же линиями на фиг,5 изображены.в развертке окружностимагнитопровода.на плоскость пространственные распределения чисел витков Иветвей каждой из трех фаз первичнойобмотки. Прй "Достаточно большом числе пазов каждая секция имеет трапецеидальное распределение чисел витков и Функции от пространственнойкоординаты х ."Рассмотрим работу нагруженногопреобразователя, пренебрегая токомнамагничивания, При изменении первичного числа витков в К раз внесенное в первичный контур сопротивлениеизменяется в К раз (без учета рассеяния), т.е . ток первичной оЪмоткй 1изменяется практически в 1/К раз. При этом намагничивающая сила (н,с.) данной фазы первичной обмотки изменяется в 1/К К: 1/К раз. При указанных поочередных замыканиях первых четырех ключей устанавливаются мгновенные значения н.с. фазы А, равные соответственно +2 Р +Р -2 Г, -Г,. Аналогичным образом устанавливаются четыре значения н,с. фазы В в зависимости от положения вторых четырех ключей и фазы С - от положения остальных четырех ключей.На фиг,б изображена бегущая (вращающаяся) волна н,с. первичной обмотки или магнитное поле при постоянно эамкнутых 2-ом, 6-ом и 10-ом ключах и разомкнутых остальных, т,е, когда к фаэным напряжениям постоянно подклю . чены ветви одной полярности, н.с. которых равны +Р , +Р , +Р . Эти .Що н.симеют такие же трапецеидальные распределения, что и числа витков фазных обмоток и изображены на Фиг.б такими же,линиями, Кривые сумм н,с, трех фаз изображены сплошными линиями Как в любом трансформаторе с вращающимся магнитным полем, волна н.с. в этом случае вращается вдоль окружности магнитопровода - пространственной координаты х - с угловой скоростью, равной угловой частоте питающего напряжения; на фиг,б показан поворот волн н.с. на пространственный угол 2 " радиан за интервал О .-ОЗЬ,2%На фиг".7 показано получение удвоенной скорости вращения волны н.с, В момент Ж 1 = О замкнуты ключи 2-й, б-й и 10-й, как и на Фиг.б,и волна н,с. имеет то же положение. В следующий момент в = в " ток фазы ВЙпроходит через нуль (ГВ = О), все6 40 ключи Фазы А разомкнуты (Р = О), а в фазе С замкнут 9-й ключ, так что н,с. Фазы С равна 2 Рс, она изображена на Фиг.7 сдвоенной пунктирной линией. В следующий момент Ш = - 4И. замкнуты ключи З-й, б-й и 10-й и й.с, Фаэ равны - 2 РРи Рс, соответст"3венно н.с. Фазы А условно отрицательной полярности изображена на Фиг,7 сдвоенной штрих-пунктирной 5 О линией, а н.с. остальных двух Фаэ одинарными линиями. В следующий момент ЖЖ (на фиг.б он уже не показан) замкнуты ключи 5-й и .11-й, н с фаз В и С равны 2 РВИ -2 РС и 55 т.д. Как видно из фиг.7, волна результирующей н.с., изображенная спЛош" ной линией, вращается вдвое быстрее, чем на фиг,б - поворачивается на такой же пространственный угол 21 ЦЗ радиан эа вдвое меньшее время Ош;-".60 Фиг,8 поясняет получение учетверенной скорости вращения волны н,с. В момент ода= О замкнуты те же ключи 2-й, 6-й и 10-й, как и на фиг.б, и волна н,с. имеет то же положение. 5 В следуЮщий момент о:, изображенный на фиг.8, замкнуты ключи3-й и 9-й, и н.с, фаз А и С райнысоотвегственно -2 Рд и 2 Р , В следующий момент и 1=(на фиг.8 онуже не показан) замкнут только 11-йключ, н.с. -2 Г создается только,фазой С и т.д. Как видно из Фиг.8,при таких переключениях волна результирующей н.с. вращается вчетве-ро быстрее, чем на Фиг.б - поворачивается на такой же пространственныйугол 2 ЯЭ радиан за вчетверо меньшеевремя.Фиг,9 поясняет получение половинной скорости вращения магнитного поля,В период ОаЬ - - замкнуты толькоЭ2-й и 10-й ключи, обуславливая только н.сГ, и Р . Далее в моментМА=замкнут только 9-й ключ, и н.с.2 ЯЙравна 2 Р . Далее в момент Ш 1:замыканием соответствующих ключеизадаются фаэные н.с. -Г, РВ и Рс,далее в момент соЬ = Б - н,с. -Р и2 ГЕ, и т.д. Как видно йз Фиг. 9, волнарезультирующей н,с. вращается вдвоемедленнее, чем на Фиг,б,, На фиг,10 поясняется получениечастоты вращенйя магнитного поля, в1,5 раза превьчаающей частоту питания, Переключениями соответствующихключей задаются в момент О 1=0 фазные н,с. ГА и РВ, в момент ВЬ = -1 сРф и ГС в момент ЖЯв момейт иЬ= ф 2 РВ и т,д. Эа времяООЬ 2 ф волна результирующейн.с. поворачивается в пространствена Ж радиан, т.е. угловая частотаее вращения в 1,5 раза больше частоты .питания,Таким образоМ, показана возможностьрегулирования частоты вращения волнырезультирующей н.с., т,е, магнитногополя и, следовательно, выходной частоты преобразователя как в сторонуувеличения, таки в сторону уменьшения относительно частоты питания, причем в широком диапазоне, Эта воз-можность достигается переключениямив каждой Фазе всего двух значенийампер-витков противоположной полярности, хотя может быть использованои большее число таких значений - приэтом увеличивается число ветвей обмоток и ключей,Ампер-витки Фазных обмоток переключаются через равноотстоящие промежутки времени, в рассмотренных прчмерах через в 1 = - , не зависяСщие от достигаемой вйходной частоты- частоты вращения .магнитного поля, :,При этом предполагалось,что за каждый такой промежуток Фазный ток достигает расчетного значения, т,е. переходный процесс протекает достаточно быстро. Рассмотрим ограничения, накладываемые временем переход ного процесса." реактивностями рассеяния. Чтобы свободйая составляющая тока переходногопроцесса практически исчезла за заданный промежуток времени между двумя переключениями, реактивности рассеяния обмоток должны быть достаточно малы. Так как эта составляющаязатухает до 5 от своего первоначального значения за время 3,то для."-регулирования с точностью не хуже 5необходимо, чтобы промежуток вре"менй"между двумя переключениями составлял 3 С . В рассмотренйых приме-рах этот промежуток равнялся 03 Ь =- врФ ь- Поскольку йЛ," равно отно 6 а)шению реактивной мощности трансформатора к активной; то для укаэанногорегулирования это отношение не должно превышать соГ=(о ": Ж - 0,174,Э 603 16Прч активной нагрузке реактивная мощность трансформатора обычнб"не пр"евышает 17 от активной, и данное условие выполняется. При активно-индуктивной нагрузке или повышенных индук" -" тйвностях рассеяния обмоток необхо-,."димо уменьшить точность регулирования, Для уменьшения индуктивностейрассеяния магнитопровод.может бытьвыполнен в виде набора тороидальныхсердечников; при равномерной намоткетаких сердечйиков индуктивности рассеяния становятся весьма малы. Вы полненйе таких сердечников из пер- маллоя сводит к минимуму ток намагничивания, который изменяется медленнее тока нагрузки.фиг,11 иллюстрирует измеНение н.с.во времени для частоты вращейия маг-,йитногополя,равной"половйне-частотыв :питания, при том же интервале междупереключениями оз 1 = - , На графике7 Г6фиг,11 представлены распОложенныедруг под другом н,с. фаэ А,В,С и".их сумма - результирующая криваян,с..Диаграммы построены для той точкиокружности магнитопровода фиг 1,в которой отнбсительные значениячисел витков фазных.ветвей равны1 А = 1,= 7 с = - , ПРии ПосТРОенйи диаграммы нс. принято;чтоО 2ОзГ . 0,174, т.е. что н.с. достигают расчетных значений (фиг.9) кмоментам переключений. Сплдйные"линииизображают н.с. при переключениях,"Осталъйыйй"-ййниямМ"намечена-устайо-вившиеся значения н,с. Из фиг,11 видно, что хотя фазные н.с. экспоненциально изменяющиеся между переклю-чениями, несинусоидальными, результирующая н.с. половинной частотыприближается,к синусоиде,Предлагаемый преобразоватЕль"Может быть выполнен с использованиемне только полностью управляемых клю-,чей, как -описано выше, йо и тиристоров. На фиг.12 изображен йрймер "пре-. образователя, в котором используется естественная коммутация тиристоров. Преобразователь содержит двамагнитопровода, каждый иэ которыхвыполнен, как на фиг,1; эти магнитопроводы показаны на фиг.12 в видедвух сердечников, общих для трехфаэ,Каждая фаза первичной обмотки вы полнена вышеописанным Образом, т,е,состоит иэ четырех секций, причемдве последовательно соединенные секции одной полярности уложены наодном сердечнике, а секции другойполярности - на втором сердечнике.Секции трех фаз первичной обмотки15 подключены к зажимам А, В, С, О источника питания через тиристоры такимобразом, что их полярнбсть в обоихсердечниках относительно вторичныхобмоток противоположна. Вторичные20 обмотки каждой фазы, расположенныена двух сердечниках и соединенныепоследовательно, подключены к зажимам а,в,с, о нагрузки.Отличиеработы преобразователяфиг.12 от работы схемы фиг,3 в том,что поскольку тиристор не может бытьвыключен до конца полупериода, изменение н.с. фазы достигается включением секций первичных обмоток обоихсердечников, действующих в противоположные стороны относительно выходной обмотки. При этом число включаемых секций подбирается так, чтобыалгебраическая сумма нс. сердечников равнялась требуемому значениюпо величине и знаку. Количество сек-ций в каждом сердечнике выбираетсятак, чтобы обеспечить тре 6 уемые значения н,с. для заданных частот. Работапреобразователя на фиг.12 для полу 40 чения половинной выходной частотыосуществляется следующим образом,при этом считаем, что тиристоры про- нумерованы слева направо, причем врассматриваемом интервале 3 2 агЬ 12Т4 когда ток рассматриваемой фазы Аотрицательный (см.фиг,4), могут проводить только нечетные тиристоры.В момент но= 3включается 7-й2тиристор, пропуская ток в две секции второго сердечника, так что н,с,равна -ГА. В момент о 1: 1 Оотпираю 6щим сигналом включается 5-й тиристор, шунтируя вторую секцию и пропуская ток в первую секцию второго сердечника. Н.с. во втором сердечникеначинает увеличиваться по абсолютной величине имоменту Оз.= 96достигает устанрвившегося значения2 Г . В этот момент включается 1-йтиристор, пропуская ток в две секИ) ции первого сердечника. Н.с. первогосердечника за интервал 11 в " ио, 2 йдостигает установившегося значенияРА; так что к моменту О,): 2 й относительно выходной обмотки фазы А дейу ствует реэультйрующая н.с. -2 РА +Гд --= - Р . Эта н.с, сохраняется до концаполупериода, после чего нечетные тиристоры перестают проводить и в работу вступают четные тиристоры.Рассмотрим преимущества предлагае-.мого преобразователя по сравнению спрототипом. Работа преобразователяпрототипа основана на циклическомпереключении каждой фазы нагрузкимежду фазами питания (отводами преобразователя числа фаз). Поэтому единственным путем улучшения формы кривойвыходного напряжения является увеличение числа фаз и, следовательно,числа ключей переключателя. Работапредлагаемого преобразователя основана на переключении ампер-витководной и той же фазы, Поэтому увеличение числа переключений и улучшениеформы кривой выходного напряженияограничивается, в основном, не числом фаз и ключей, а длительностьюпереходного процесса установлениятока в первичной обмотке. Уменьшаяреактивности рассеяния обмоток,можно увеличивать число переключенийбез увеличения объема аппаратуры.Вследствие этого принципиальногоразличия схема прототипа, содержащая6 полностью управляемых ключей нафазу (всего 18 ключей),не обеспечивает хорошей формы кривой выходногонапряжения,Предлагаемый преобразователь(фиг.З) при меньшем числе ключей (4на фазу, всего 12 ключей) обеспечивает лучшую форму (см.фиг.11), Следовательно, при одинаковой степени подавления высших гармоник в кривой выходного напряжения силовая схема предлагаемого преобразователя проще.Частота переключений в преобразователе-прототипе равна разности междутребуемой частотой и частотой питанияПоэтому система управления в прототипе должна содержать источник требуемой частоты, устройство для сравнения этой частоты с частотой питания, формирователь отпирающих импульсов разности частоты и программноеустройство для распределения этихимпульсов по ключам,В предлагаемом преобразователе1ключи отпираются в одни и те жемоменты времени, не зависящие от требуемой выходной частоты (в рассмотренных прнмерах эти моменты для любойчастоты отстоят друг от друга наЮЬ), Изменение выходной час-.тоты осуществляется лишь изменениемпорядка включения ключей, т,е. программы переключений, Поэтому системауправления предлагаемым преобразователем представляет собой источникимпульсов неизменной частоты (рас смотренных примерах частоты 12 ш) ипрограммное устройство, подающее этиимпульсы на ключи по заданной программе. Следовательно., система управления предлагаемым преобразователем 20 функционально значительно проще. Формула изобретения1,Многофазный преобразователь частоты с вращающимся магнитным полем,содержащий магнитопровод,. с расположенными на нем многофазной соединен-.ной в звезду первичной обмоткой, концы которой через ключевыеэлементы соединены с выводами дляподключения источника питания и многофазной вторичной обмотки, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что, с целью, упрощения, в каждой фазе первичнаяобмотка выполнена из двух ветвейпротивоположной полярности, каждаяиз которых состоит из двух секций;соединенных согласно-последовательнои подключенных одноименными выводамик соответствующим ключевым элементам40 данной фазы,2.Преобразователь по п.1,о т л ич а ющ и й с я тем, что магнитоправод состоит из двух частей, причемрасположенные на них первичные и45 вторичные обмотки имеют противоположные направления намотки витков.ЗакаПодписно филиал ППП г. Ужгород я ЦНИИПИТираж 78 Патент, л, Проект 7380 б 8