Патент на изобретение №2349019

(54) ТРЕХФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С ЕСТЕСТВЕННОЙ КОММУТАЦИЕЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах автономного электроснабжения для стабилизации частоты и напряжения источников с повышенной частотой генерируемого напряжения. Техническим результатом является повышение КПД, надежности работы трехфазного преобразователя частоты и уменьшение уровня электромагнитных помех. Трехфазный преобразователь частоты с естественной коммутацией содержит трехфазно-однофазный непосредственный преобразователь частоты (1), содержащий три пары включенных встречно-параллельно тиристоров (2-7), которые через фильтр (8) соединены с однофазно-трехфазным трансформатором с вращающимся магнитным полем (9), который содержит первую и вторую первичные обмотки (10) и (11) соответственно, фазосдвигающий конденсатор (12), вторичные обмотки (13-15), систему управления (16), первый вход которой соединен с выводами для подключения источника повышенной частоты и его нейтральным проводом, а второй вход соединен с вторичными обмотками трансформатора с вращающимся магнитным полем (9). Система управления содержит блок синхронизации (17), генераторы пилообразного напряжения (18-20), компараторы (21-23), логические элементы И (24-29), генератор задающей частоты (30), трансформаторно-выпрямительный блок (31). Первые выходы системы управления (16) являются входами блока синхронизации (17), первый, второй и третий выходы которого соединены с входами первого, второго и третьего генератора пилообразного напряжения (18, 19, 20) соответственно, выходы которых соединены с первыми входами первого, второго и третьего компараторов (21, 22, 23) соответственно, вторые входы которых соединены с выходом трансформаторно-выпрямительного блока (31), вход которого является вторым входом системы управления (16), выход первого компаратора (21) соединен с первыми входами первого и второго логических элементов И (24, 25), выход второго компаратора (22) соединен с первыми входами третьего и четвертого логических элементов И (26, 27), а выход третьего компаратора (23) соединен с первыми входами пятого и шестого логических элементов И (28, 29), вторые входы первого, третьего и пятого логических элементов (24, 26, 28) соединен с первым выходом генератора задающей частоты (30), а вторые входы второго, четвертого и шестого логических элементов И (25, 27, 29) соединены со вторым выходом генератора задающей частоты (30), выходы логических элементов И (24-29 являются выходами системы управления (16) и подключены к соответствующим управляющим электродам тиристоров. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах автономного электроснабжения для стабилизации частоты и напряжения источников с повышенной частотой генерируемого напряжения.

Известный трехфазно-трехфазный преобразователь частоты, выполненный на шести комплектах тиристоров, по два на каждую выходную фазу (Джюджи Л., Пели Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты. – М.: Энерго-атомиздат, 1983, рис.8.28, с.313) имеем следующие недостатки: низкая надежность работы, высокий уровень электромагнитных помех и имеет сложную систему управления.

Наиболее близким по техническому решению является трехфазный преобразователь частоты (по патенту РФ №2217857, Н02М 5/27, Н02Р 7/42, 2003 г.), содержащий трехфазно-однофазный непосредственный преобразователь частоты, выполненный на двух комплектах тиристоров, каждый из которых содержит по шесть вентилей, схему искусственной коммутации и однофазно-трехфазный трансформатор с вращающимся магнитным полем.

Недостатками данного преобразователя являются низкие КПД, надежность работы, высокий уровень электромагнитных помех из-за большого числа силовых тиристоров, в том числе и в цепи искусственной коммутации и сложности системы управления преобразователем.

Техническим решением поставленной задачи является повышение КПД, надежности работы трехфазного преобразователя частоты и уменьшение уровня электромагнитных помех.

Поставленная задача достигается тем, что трехфазный преобразователь частоты, содержащий трехфазно-однофазный непосредственный преобразователь частоты, имеющий несколько пар включенных встречно-параллельно тиристоров, входы которых подключены к источнику энергии повышенной частоты однофазно-трехфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем с первой и второй первичной обмотками, фазосдвигающий конденсатор и вторичные обмотки содержит схему выходы трехфазно-однофазного непосредственного преобразователя частоты подключены к первому входу фильтра, второй вход которого соединен с выводом для подключения нейтрального провода источника электроэнергии повышенной частоты, первый выход фильтра подключен с началом первой первичной обмотки однофазно-трехфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем, а второй выход фильтра подключен к концу первой первичной обмотки этого трансформатора, концы вторичных обмоток трансформатора с вращающимся магнитным полем соединены с вторым входом системы управления, первый вход которой соединен с выводами для подключения источника повышенной частоты и его нейтральным проводом, система управления содержит блок синхронизации, первый, второй и третий генераторы пилообразного напряжения, первый, второй и третий компараторы, шесть логических элементов И, трансформаторно-выпрямительный блок и генератор задающей частоты, причем первые входы системы управления являются входами блока синхронизации первый, второй и третий выходы которого соединены с входами первого, второго и третьего генераторов пилообразного напряжения соответственно, а их выходы соединены с первыми входами первого, второго и третьего компараторов соответственно, вторые входы которых соединены с выходом трансформаторно-выпрямительного блока, где его вход является вторым входом системы управления, выход первого компаратора соединен с первыми входами первого и второго логических элементов И, выход второго компаратора соединен с первыми входами третьего и четвертого логических элементов И, а выход третьего компаратора соединен с первыми входами пятого и шестого логических элементов И, вторые входы первого, третьего и пятого логических элементов соединен с первым выходом генератора задающей частоты, а вторые входы второго, четвертого и шестого логических элементов И соединены со вторым выходом генератора задающей частоты, выходы логических элементов И являются выходами системы управления и подключены к соответствующим управляющим электродам тиристоров.

Новизна заявленного технического решения заключается в том, что вместо двух комплектов тиристоров и схемы искусственной коммутации применяются один комплект тиристоров и система управления, обеспечивающая естественную коммутацию тиристоров силовой схемы преобразователя.

По данным научно-технической и патентной литературы авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения изобретательскому уровню.

Сущность изобретения представлена чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная схема трехфазного преобразователя частоты с естественной коммутацией, а на фиг.2 – диаграммы напряжений, поясняющие принцип формирования выходного напряжения преобразователя частоты.

Трехфазный преобразователь частоты с естественной коммутацией содержит трехфазно-однофазный непосредственный преобразователь частоты 1 (фиг.1), содержащий три пары включенных встречно-параллельно тиристоров 2-7, которые через фильтр 8 соединены с однофазно-трехфазным трансформатором с вращающимся магнитным полем 9, содержащий первую и вторую первичные обмотки 10 и 11 соответственно, фазосдвигающий конденсатор 12, вторичные обмотки 13-15, систему управления 16, первый вход которой соединен с выводами для подключения источника повышенной частоты и его нейтральным проводом, а второй вход соединен со вторичными обмотками трансформатора с вращающимся магнитным полем 9, система управления содержит блок синхронизации 17, генераторы пилообразного напряжения 18-20, компараторы 21-23, логические элементы И 24-29, генератор задающей частоты 30, трансформаторно-выпрямительный блок 31. Причем первые входы системы управления 16 являются входами блока синхронизации 17, первый, второй и третий выходы которого соединены с входами первого, второго и третьего генераторов пилообразного напряжения 18, 19, 20 соответственно, выходы которых соединены с первыми входами первого, второго и третьего компараторов 21, 22, 23 соответственно, вторые входы которых соединены с выходом трансформаторно-выпрямительного блока 31, вход которого является вторым входом системы управления 16, выход первого компаратора 21 соединен с первыми входами первого и второго логических элементов И 24, 25, выход второго компаратора 22 соединен с первыми входами третьего и четвертого логических элементов И 26, 27, а выход третьего компаратора 23 соединен с первыми входами пятого и шестого логических элементов И 28, 29, вторые входы первого, третьего и пятого логических элементов 24, 26, 28 соединен с первым выходом генератора задающей частоты 30, а вторые входы второго, четвертого и шестого логических элементов И 25, 27, 29 соединены со вторым выходом генератора задающей частоты 30, выходы логических элементов И 24-29 являются выходами системы управления 16 и подключены к соответствующим управляющим электродам тиристоров. На фиг.1 показаны выводы 32, 33 и 34 для подключения трехфазного источника напряжения повышенной частоты, вывод нейтрального провода источника 35 и выводы 36, 37 и 38 для подключения нагрузки.

Трехфазный преобразователь частоты с естественной коммутацией работает следующим образом. Трехфазное напряжение источника электроэнергии повышенной частоты U_BX (фиг.2, в) поступает на входные выводы преобразователя 32, 33 и 34 соответственно (фиг.1). Система управления 16 преобразователя 1 формирует управляющие сигналы для каждой фазы включенных встречно-параллельно тиристоров 2 и 3, 4 и 5, 6 и 7 соответственно, таким образом, что происходит естественная коммутация тиристоров непосредственного преобразователя частоты 1 и на его выходе формируются кривые однофазного напряжения U₁ (фиг.2 в) стабилизированное по частоте и амплитуде. Причем при работе тиристоров 2, 4 и 6 на выходе преобразователя 1 формируется положительная полуволна напряжения, а при работе тиристоров 3, 5 и 6 – отрицательная полуволна напряжения. Напряжение U₁ (фиг.2, в) сглаживается фильтром 8 (U₂, фиг.2, в) и прикладывается к первичным обмоткам 10 и 11 однофазно-трехфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем 9. Поскольку первая и вторая первичные обмотки трансформатора смещены в пространстве одна относительно другой на угол 90° и подключены между собой через фазосдвигающий конденсатор 12, то они образуют вращающееся магнитное поле, вызывающее ЭДС во вторичных обмотках 13, 14 и 15. Вторичные обмотки 13, 14 и 15 сдвинуты одна относительно другой на угол 120°, поэтому на выводах 36, 37 и 38 преобразователя формируется симметричная трехфазная система переменного напряжения с частотой, устанавливаемой задающим генератором частоты 30.

Принцип формирования выходного напряжения преобразователя системой управления 16. С выхода блока синхронизации 17 высокочастотные сигналы U_A, U_B И U_C (фиг.1) поступают на входы генераторов пилообразного напряжения 18, 19 и 20 соответственно. Рассмотрим принцип формирования управляющих сигналов на примере фазы А. Выходной сигнал U_ГПНА (фиг.2, а) генератора пилообразного напряжения 18 поступает на первый вход компаратора 21, на второй вход которого поступает сигнал напряжения постоянного тока U_ТВБ (фиг.2, а) пропорционален выходному напряжению преобразователя от трансформаторно-выпрямительного блока 31. В компараторе 21 происходит сравнение сигналов и при условии, когда U_ГПНА>U_ТВБ на выходе компаратора формируется управляющий сигнал U_УА с углом управления и длительностью t_y (фиг.2, б), этот сигнал поступает одновременно на первые входы логических элементов И 24 и 25, на вторые входы которых поступает поочередно сигнал от задающего генератора частоты 30, причем при подаче сигнала на логический элемент И 24 открывается тиристор 2 и на выходе преобразователя формируется положительная полуволна напряжения, а при подаче сигнала на логический элемент И 25 открывается тиристор 3 и на выходе преобразователя формируется отрицательная полуволна напряжения. Закрытие тиристоров 2 и 3 происходит после приложения к их выводам обратного напряжения (фиг.2. в).

Стабилизация напряжения на выходе преобразователя системой управления 16 осуществляется следующим образом. К примеру, напряжение на выходных выводах преобразователя 36, 37 и 38 уменьшится. Это приведет к уменьшению напряжения на выходе трансформаторно-выпрямительного блока 31 (фиг.2 а, U_ТВБ) и уменьшению угла управления тиристорами 2-7, что приведет к увеличению длительности управляющего сигнала t_y (фиг.2, б) и увеличению выходного напряжения преобразователя.

Использование одного комплекта тиристоров и системы управления, обеспечивающую их естественную коммутацию выгодно отличает предлагаемый преобразователь от известного, так как повышаются его КПД и надежность работы, и уменьшается уровень электромагнитных помех.

Формула изобретения

Трехфазный преобразователь частоты с естественной коммутацией, содержащий трехфазно-однофазный непосредственный преобразователь частоты, имеющий несколько пар включенных встречно-параллельно тиристоров, входы которых подключены к источнику энергии повышенной частоты, однофазно-трехфазный трансформатор с вращающимся магнитным полем, содержащий первую и вторую первичные обмотки, подключенные между собой через фазосдвигающий конденсатор и сдвинутые в пространстве относительно друг друга на 90° и вторичные обмотки, сдвинутые в пространстве относительно друг друга на 120°, отличающийся тем, что выходы трехфазно-однофазного непосредственного преобразователя частоты подключены к первому входу фильтра, второй вход которого соединен с выводом для подключения нейтрального провода источника электроэнергии повышенной частоты, первый выход фильтра подключен к началу первой первичной обмотки однофазно-трехфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем, а второй выход фильтра подключен к концу первой первичной обмотки этого трансформатора, концы вторичных обмоток трансформатора с вращающимся магнитным полем соединены с вторым входом системы управления, первый вход которой соединен с выводами для подключения источника повышенной частоты и его нейтральным проводом, система управления содержит блок синхронизации, первый, второй и третий генераторы пилообразного напряжения, первый, второй и третий компараторы, шесть логических элементов И, трансформаторно-выпрямительный блок и генератор задающей частоты, причем первые входы системы управления являются входами блока синхронизации первый, второй и третий выходы которого соединены с входами первого, второго и третьего генераторов пилообразного напряжения соответственно, а их выходы соединены с первыми входами первого, второго и третьего компараторов соответственно, вторые входы которых соединены с выходом трансформаторно-выпрямительного блока, где его вход является вторым входом системы управления, выход первого компаратора соединен с первыми входами первого и второго логических элементов И, выход второго компаратора соединен с первыми входами третьего и четвертого логических элементов И, а выход третьего компаратора соединен с первыми входами пятого и шестого логических элементов И, вторые входы первого, третьего и пятого логических элементов соединены с первым выходом генератора задающей частоты, а вторые входы второго, четвертого и шестого логических элементов И соединены со вторым выходом генератора задающей частоты, выходы логических элементов И являются выходами системы управления и подключены к соответствующим управляющим электродам тиристоров.

РИСУНКИ