Трехфазный статический преобразователь частоты с непосредственной связью
THREE-PHASE STATIC FREQUENCY CONVERTER WITH DIRECT COUPLING

Изобретение относится к электротехнике, в частности к трехфазным статическим преобразователям переменного напряжения на входе в переменное напряжение на выходе для изменения частоты без промежуточного преобразования.
Известны трехфазные статические преобразователи, преобразующие постоянное напряжение на входе в трехфазное переменное напряжение на выходе (Глазенко Т.А., Гончаренко Р.Б. Полупроводниковые преобразователи частоты в электроприводах. Л.: Энергия, 1969).
Недостатком известных трехфазных преобразователей является невозможность преобразования переменного напряжения на входе в переменное напряжение на выходе без промежуточного преобразования.
Известен трехфазный статический преобразователь переменного напряжения в переменное с непосредственной связью (патент на изобретение RU №2705586 C1, МПК H02M 5/297, G05F 1/14, H02P 13/06  06.03.2019), принятый по совокупности существенных признаков в качестве ближайшего аналога.
А
В
С
А
В
В
С
С
А
В известном преобразователе - трехфазном статическом преобразователе частоты с непосредственной связью, содержащем блок управления, трансформатор напряжения, полупроводниковые ключи, трансформатор включает три фазы А, В, С с первичными и вторичными обмотками, первичная обмотка каждой фазы выполнена с тремя дополнительными выводами, делящими ее на четыре секции с одинаковым числом витков, причем начало первичной обмотки каждой фазы соединено с концом первичной обмотки одноименной фазы, полупроводниковые ключи связаны с трехфазным источником питания, каждая фаза источника питания Е, Е, Е, связана с четырьмя полупроводниковыми ключами, при этом два ключа, связанных  с фазой Е источника питания, связаны с первым и третьим выводами первичной обмотки фазы А трансформатора, а два ключа, связанных с фазой Е источника питания, связаны со вторым и четвертым выводами первичной обмотки фазы А трансформатора, два ключа, связанных с  фазой Е источника питания, связаны с первым и третьим выводами первичной обмотки фазы В трансформатора, а два ключа, связанных с фазой Е источника питания, связаны со вторым и четвертым выводами первичной обмотки фазы В трансформатора, два ключа, связанных с фазой Е источника питания, связаны с первым и третьим выводами первичной обмотки фазы С трансформатора, а два ключа, связанных с фазой Е источника питания, связаны со вторым и четвертым выводами первичной обмотки фазы С трансформатора.
Недостатком известного преобразователя является высокое напряжение на ключах, равное двойному амплитудному значению между фазного (линейного) напряжения.
Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение напряжения на ключах.
Технический результат достигается тем, что в трехфазном статическом преобразователе частоты с непосредственной связью, включающем блок управления, трехфазный трансформатор, первичная обмотка каждой фазы которого выполнена с тремя дополнительными выводами, делящими ее на четыре секции с одинаковым числом витков, начало первичной обмотки соединено с концом первичной обмотки одноименной фазы, четыре полупроводниковых ключа в каждой фазе, согласно изобретению, первый и третий выводы первичной обмотки каждой фазы трансформатора через соответствующие полупроводниковые ключи соединены с одноименной фазой источника питания, вторые и четвертые выводы первичных обмоток фаз трансформатора связаны с первыми выводами соответствующих полупроводниковых ключей, вторые выводы которых соединены между собой.
Технический результат обеспечивается за счет схемы подключения полупроводниковых ключей к выводам первичных обмоток фаз трансформатора напряжения и соединения между собой полупроводниковых ключей, связанных со вторыми и четвертыми выводами первичных обмоток фаз трансформатора,. При такой схеме в любой момент времени напряжение на секциях первичной обмотки трансформатора равно фазному напряжению сети, следовательно, максимальное напряжение на ключах равно двойному амплитудному значению фазного напряжения, что в √3 (1,73) раза меньше, чем у ближайшего аналога, где на ключах возникает напряжение, равное двойному амплитудному значению между фазного (линейного) напряжения.
На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого преобразователя, подключенного к трехфазной трехпроводной сети.
На фиг. 2 приведена принципиальная схема предлагаемого преобразователя, подключенного к трехфазной четырехпроводной сети.
На фиг.3 приведен вид напряжения на ключах, обмотках трансформатора и нагрузках, соответствующий алгоритму работы ключей, задаваемому блоком управления.
на
нв
нс
Трехфазный статический преобразователь частоты с непосредственной связью содержит блок управления БУ, трехфазный трансформатор, включающий первичную и вторичную обмотки в каждой фазе А, В, С  и четыре полупроводниковых ключа в каждой фазе: 1А, 2А, 3А, и 4А; 1В, 2В, 3В, и 4В; 1С, 2С, 3С и 4С. Первичная обмотка каждой фазы трансформатора напряжения включает вывод 1 и дополнительные выводы 2, 3, 4, которые делят  каждую первичную обмотку  на четыре секции a, b, c, d, имеющие одинаковое число витков. Причем начало первичной обмотки каждой фазы трансформатора соединено с ее концом. К вторичным обмоткам трансформатора подключена нагрузка Z , Z .Z.
Полупроводниковые ключи подключены следующим образом:
А
- ключи 1А и 3А связаны с первым и третьим выводами первичной обмотки фазы А трансформатора и с фазой Е источника питания;
В
- ключи 1В и 3В связаны с первым и третьим выводами первичной обмотки фазы В трансформатора и с фазой Е источника питания;
С
- ключи 1С и 3С связаны с первым и третьим выводами первичной обмотки фазы С трансформатора и с фазой Е источника питания;
-  ключи 2А и 4А одними выводами связаны со вторым и четвертым выводами первичной обмотки фазы А трансформатора соответственно, ключи 2В и 4В одними выводами связаны со вторым и четвертым выводами первичной обмотки фазы В трансформатора соответственно,  ключи 2С и 4С одними выводами связаны со вторым и четвертым выводами первичной обмотки фазы С трансформатора соответственно, при этом другими выводами ключи 2А, 2В, 2С, 4А, 4В, 4С соединены между собой.
1
2
1
2
1
1
2
2
Частота переключения ключей 1А и 3А, 1В и 3В, 1С и 3С в два раза отличается от частоты переключения ключей 2А и 4А, 2В и 4В, 3С и 4С соответственно. В приведенном на фиг.3 примере алгоритма переключения ключей, ключи, подключающиеся к 1 и 3 выводам первичных обмоток фаз А, В, С трансформатора переключаются с большей в два раза частотой по сравнению с ключами, подключающимися к выводам 2 и 4 первичных обмоток трансформатора. Однако возможен и обратный вариант, когда пара ключей, подключенных к выводам 2 и 4 каждой из первичных обмоток трансформатора, переключается в два раза чаще, чем другая пара. Каждый ключ, переключающийся с высокой частотой, имеет период переключения Т, а каждый ключ, переключающийся с низкой частотой, имеет период переключения Т (фиг.3). В соответствии с приведенным на фиг.3 примером ключи 1А и 3А,  1В и 3В,  1С и 3С переключаются с периодом Т, а ключи 2А и 4А, 2В и 4В; 2С и 4С переключаются с периодом Т. При этом угол сдвига ϕ между началом включения ключей 1А, 1В, 1С, 3А, 3В, 3С составляет одну третью периода Т, а угол сдвига ϕ между началом включения ключей 2А, 2В, 2С, 4А, 4В, 4С составляет одну третью периода Т.
Блок управления БУ трехфазного статического преобразователя частоты с непосредственной связью содержит генератор, два последовательно соединенных синхронных триггера и регистры, позволяющие формировать необходимые сигналы для осуществления заданного алгоритма переключения ключей (фиг.3).
Преобразователь работает следующим образом.
Блок управления задает алгоритм работы ключей, показанный на фиг.3.
Рабочий процесс преобразователя состоит из рабочих периодов, когда одни ключи разомкнуты, а другие замкнуты.
Пример работы преобразователя, включенного в трехфазную четырехпроводную сеть (фиг.2).
Пусть в исходный момент времени блоком управления БУ сформирован сигнал на  замыкание ключей 1А и 2А. Ключи 3А, 4А, 2В, 3В, 1С, 4С - разомкнуты, ключи 1В, 4В, 2С, 3С - замкнуты.  Тогда:
а
А
А
на
- к секции “a” первичной обмотки фазы А приложено фазное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза Е источника питания, ключ 1А, секция “a” первичной обмотки фазы А, ключ 2А, фаза Е источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы А и нагрузке фазы А - Z  формируется положительное напряжение;
в
В
В
нв
- к секции “d” первичной обмотки фазы В приложено фазное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза Е источника питания, ключ 1В, секция “d” первичной обмотки фазы В, ключ 4В, фаза Е источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы В и нагрузке фазы В - Z  формируется положительное напряжение;
с
С
С
нс
- к секции “b ” первичной обмотки фазы С приложено фазное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза Е источника питания, ключ 3С, секция “b” первичной обмотки фазы С, ключ 4С, фаза Е источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы С и нагрузке фазы C - Z  формируется положительное напряжение.
1,
По истечении времени, равного 1/6 периода работы ключей 1А, 3А, 1В, 3В, 1С, 3С, в момент времени t блоком управления формируются сигналы на одновременное размыкание ключа 1B  и замыкание ключа 3B. Ключи 3А, 4А, 1В. 2В, 1С, 4C - разомкнуты, ключи 1А, 2А, 3В, 4В, 2C,3С - замкнуты. Тогда:
а
А
А
на
- к секции “a” первичной обмотки фазы А приложено фазное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза Еисточника питания, ключ 1А, секция “a” первичной обмотки фазы А, ключ 2А, фаза Е источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы А и нагрузке фазы А - Z  формируется положительное напряжение;
в
В
В
нв
- к секции “c” первичной обмотки фазы В   приложено фазное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза Е источника питания, ключ 3В, секция “c” первичной обмотки фазы В, ключ 4В, фаза Е источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы В и нагрузке фазы В - Z  формируется положительное напряжение;
с
С
С
нс
- к секции “c” первичной обмотки фазы С приложено фазное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза Е источника питания, ключ 3С, секция “c” первичной обмотки фазы С, ключ 4С, фаза Е источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы С и нагрузке фазы С - Z  формируется положительное напряжение.
2,
По истечении времени равного 1/6 периода работы ключей 1А, 3А, 1В, 3В, 1С, 3С, в момент времени t блоком управления формируются сигналы на одновременное размыкание ключей 2C, 3C и замыкание ключей 1C,4C. Ключи 3А, 4А, 1B, 2B - разомкнуты, ключи 1А, 2А, 3B, 4B - замкнуты. Тогда:
а
А
А
на
- к секции “a” первичной обмотки фазы А приложено фазное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза Е источника питания, ключ 1А, секция “a” первичной обмотки фазы А, ключ 2А, фаза Е источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы А и нагрузке фазы А - Z  формируется положительное напряжение;
в
В
В
нв
- к секции “c” первичной обмотки фазы В   приложено фазное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза Е источника питания, ключ 3В, секция “c” первичной обмотки фазы В, ключ 4В, фаза Е источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы В и нагрузке фазы В - Z  формируется положительное напряжение;
с
С
С
нс
- к секции “d” первичной обмотки фазы С приложено фазное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза Е источника питания, ключ 1С, секция “d” первичной обмотки фазы С, ключ 4С, фаза Е источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы С и нагрузке фазы С - Z  формируется отрицательное напряжение.
3,
По истечении времени равного 1/6 периода работы ключей 1А, 3А, 1В, 3В, 1С, 3С, момент времени t блоком управления формируются сигналы на одновременное размыкание ключа 1А  и замыкание ключа 3А. Ключи 4А, 1В, 2В, 2С, 3С - разомкнуты, ключи  2А, 3В, 4В, 1С, 4С - замкнуты. Тогда:
а
А
А
на
- к секции “b” первичной обмотки фазы А приложено фазное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза Е источника питания, ключ 3А, секция “b” первичной обмотки фазы А, ключ 2А, фаза Е источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы А и нагрузке фазы А - Z  формируется отрицательное напряжение;
в
В
В
нв
- к секции “c” первичной обмотки фазы В   приложено фазное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза Е источника питания, ключ 3В, секция “c” первичной обмотки фазы В, ключ 4В, фаза Е источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы В и нагрузке фазы В - Z  формируется положительное напряжение;
с
С
С
нс
- к секции “d” первичной обмотки фазы С приложено фазное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза Е источника питания, ключ 1С, секция “d” первичной обмотки трансформатора фазы С, ключ 4С, фаза Е источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы С и нагрузке фазы С - Z  формируется отрицательное напряжение.
1
1
2
2
Дальнейшее переключение ключей происходит в соответствии с алгоритмом, приведенным на фиг.3, согласно которому ключи 1А, 1В, 1С, 3А, 3В, 3С переключаются в два раза чаще, чем ключи 2А, 2В, 2С, 4А, 4В, 4С, угол сдвига ϕ между началом включения ключей 1А, 1В, 1С, 3А, 3В, 3С составляет одну третью периода Т переключения одного ключа, переключающегося с большей частотой, а угол сдвига φ между началом включения ключей 2А, 2В, 2С, 4А, 4В, 4С составляет одну третью периода Т переключения одного ключа, переключающегося с меньшей частотой.
За счет приведенного алгоритма переключения ключей на выходных обмотках трансформаторов формируется трехфазная система напряжений высокой частоты, в которой выходные напряжения фаз А, В, С сдвинуты между собой на 120 градусов, что позволяет создавать круговое вращающееся поле высокой частоты.
Как следует из описания работы преобразователя в любой момент времени напряжение на секциях первичной обмотки трансформатора равно фазному напряжению сети, следовательно, максимальное напряжение на ключах равно двойному амплитудному значению фазного напряжения, что в √3, т.е. в 1,73 раза меньше, чем у ближайшего аналога.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет снизить напряжение на ключах трехфазного статического преобразователя частоты с непосредственной связью.