ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ НА БАЗЕ ТРАНСФОРМАТОРА С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
FREQUENCY CONVERTER BASED ON TRANSFORMER WITH ROTATING MAGNETIC FIELD

Область использования
Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям электрической энергии, и может быть использовано для получения высококачественного трехфазного напряжения измененной частоты для питания спецпотребителей в автономных электроустановках.
Уровень техники
Известны трехфазно-однофазные непрерывные преобразователи частоты, выполненные по нулевым и мостовым схемам, выходные напряжения которых формируются из пульсаций, кратных, соответственно, трем в первом случае и шести во втором (Г.Г. Жемеров. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью, М., Энергия, 1977, 280 с.).
Общим недостатком известных преобразователей является невозможность получения переменного трехфазного напряжения с низким значением коэффициента несинусоидальности уменьшенной или увеличенной частоты с возможностью ее плавного регулирования.
Задача изобретения
Задача изобретения - улучшение формы выходного напряжения и уменьшение коэффициента гармоник.
Это достигается применением предлагаемого преобразователя частоты (НПЧ) на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем (ТВМП) [Кузьмин И.Ю., Лимонникова Е.В., Музыка М.М., Платоненков С.В., Потего П.И., Сакович И.А., Телепнев А.И., Черевко А.И. Трансформатор с трехфазной и круговой обмотками // Патент РФ №2525298, МПК H01F30/14, H02M 5/14, 2014 г.], конструктивно выполненного с числом секций круговой обмотки (КО), кратным трем, состоит в получении переменного трехфазного напряжения с низким значением коэффициента несинусоидальности уменьшенной или увеличенной частоты с возможностью ее плавного регулирования.
Раскрытие изобретения
Анализ геометрической аналогии КО ТВМП [Черевко А.И., Музыка М.М., Платоненков С.В., Сакович И.А., Кузьмин И.Ю. Качество выходного напряжения выпрямителя, построенного на базе ТВМП, при четном и нечетном числе секций КО ТВМП // Электротехника - 2012. - №4. - С. 41-45.] (фигуры 1, 2) позволяет установить, что с помощью силового коммутатора ПЧ напряжение на его выходе может сниматься не только с отводов, на которых присутствует максимальное значение ЭДС (для ТВМП с четным числом секций КО - это отводы, расположенные в геометрической диаметрали, а для ТВМП с нечетным числом секций КО - это отводы, расположенные в геометрически наибольших хордах), но и с отводов, расположенных в различных хордах КО ТВМП, то есть с различных ступеней регулирования. При этом чем короче хорда, в которой геометрически расположены отводы КО, тем значение ЭДС будет меньше, т.к. оно определяется алгебраической суммой ЭДС секций, расположенных между ними.
Ввиду того, что напряжение на выходе ПЧ должно быть трехфазным и симметричным, количество секций КО должно быть кратно трем: 6, 9, 12, 15 и т.д. Для получения трехфазного выходного напряжения к каждому отводу КО подключаются три силовых ключа (СКл), каждый из которых может коммутировать соответствующий отвод КО с одной из трех силовых сборных шин. В качестве СКл используются полностью управляемые и имеющие двустороннюю проводимость в открытом состоянии СКл. Общее количество таких СКл равно 3N, где N - число секций КО ТВМП.
Смещение выходных фазных напряжений на электрический угол 120° достигается благодаря тому, что коммутируются отводы секций КО, геометрически повернутых друг относительно друга на заданный угол.
Анализируя фигуру 1, алгоритм коммутации СКл можно формализовать с учетом принятия следующих положений:
1) один из отводов КО ТВМП принимается за базовый, ему присваивается номер «1»;
2) отвод КО, электрический потенциал которого имеет минимальный по модулю отрицательный фазовый сдвиг относительно рассматриваемого отвода, получает следующий за ним порядковый номер;
3) силовым ключам присваиваются порядковые номера согласно отводам КО ТВМП, к которым они подключены, и обозначения согласно выходным фазным сборным шинам ПЧ.
Алгоритм коммутации СКл для ПЧ с ТВМП с нечетным N поясняется формулами (2.1), (2.2), (2.3):
A
B
C
В формулах (2.1), (2.2) и (2.3) оператор  возвращает наибольшее целое число, меньшее или равное аргументу x. N - количество секций КО ТВМП, n - номер временной позиции. Операция «mod» выполняет вычисление остатка от деления.VT[n], VT[n], VT[n] - множества СКл, коммутирующих отводы КО с фазами А, В и С выходного напряжения соответственно.
Новизна предлагаемого преобразователя частоты состоит в следующем.
1. Полупроводниковый преобразователь выполнен на базе ТВМП, который обеспечивает гальваническую развязку с питающей сетью, имеет полную геометрическую, электрическую и магнитную симметрии и обладает вследствие этого низкими массогабаритными характеристиками, высокими энергетическими характеристиками и высоким качеством питающего и выходного напряжения и тока.
2. Питающее трехфазное напряжение подается на первичную трехфазную обмотку ТВМП, а трехфазное выходное напряжение регулируемой частоты, имеющее низкий коэффициент несинусоидальности, снимается с вторичной (КО), число секций в которой кратно трем, с помощью силового коммутатора.
3. Силовой коммутатор имеет группы вентилей, количество СКл в которых равно утроенному количеству секций КО ТВМП, так как к каждому отводу КО подключается три СКл, каждый из которых в свою очередь может коммутировать отвод КО в цепь одной из выходных фаз.
4. Силовой коммутатор включает вентили таким образом, что на выходные сборные шины вторичного трехфазного напряжения подключаются отводы круговой обмотки, электрический потенциал в которых имеет одинаковые взаимные фазовые сдвиги, при этом включение и отключение двух соседних отводов может производиться с перекрытием по времени, в результате чего происходит выравнивание их потенциалов.
5. Частота выходной трехфазной системы напряжений определяется частотой коммутации триады СКл.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 изображена геометрическая аналогия КО ТВМП с 9-ю секциями. Показано, что каждая секция может быть представлена источником ЭДС равной амплитуды, но имеющим различный фазовый сдвиг. Также показано, что в силу полной геометрической, электрической и магнитной симметрий ТВМП в качестве геометрической аналогии его КО можно рассматривать правильный многоугольник. На фигуре отмечено направление вращения с угловой частотой ω, равной угловой частоте питающей сети, результирующего вектора магнитной индукции. Показано, что нумерация СКл при формализации алгоритмов управления совпадает с направлением вращения результирующего вектора магнитной индукции ТВМП.
На фигуре 2 приведена принципиальная схема ПЧ с ТВМП с 9-ю секциями КО. На фигуре обозначено следующее: (10) - ТО, (11) - КО, (12) - сборные шины выходного трехфазного напряжения.
A
B
C
1
2
На фигурах 3-6 показаны шаги коммутации отводов КО ТВМП с 9-ю секциями КО (N=9) в сборные выходные фазные шины согласно таблице 1. Фигура 3 отображает первый шаг коммутации, при котором ключ VT1 коммутирует соответственно его названию 1-й отвод КО в выходную фазу А, ключ VT4 коммутирует соответственно его названию 4-й отвод КО в выходную фазу В, ключ VT7 коммутирует соответственно его названию 7-й отвод КО в выходную фазу С. Условно показано, что угловая частота вращения магнитного поля ТВМП ω, равная угловой частоте питающей сети, отлична от частоты формируемого переменного трехфазного напряжения на выходе ПЧ - ω.
A
A
B
B
C
C
A
A
B
B
C
C
A
B
C
Фигура 4 отображает второй шаг коммутации, при котором ключи VT1 и VT2 коммутируют 1-й и 2-й отводы КО в выходную фазу А, ключи В в VT4 и VT5 коммутируют 4-й и 5-й отводы КО в выходную фазу В, ключи VT7 и VT8 коммутируют 7-й и 8-й отводы КО в выходную фазу С. На данном шаге происходит перекрытие по времени интервалов коммутации соседних СКл, в данном случае: VT1 и VT2, VT4 и VT5, VT7 и VT8. Задействование ключей VT2, VT5 и VT8 на данном шаге дает возможность формировать на каждой сборной выходной фазной шине участок кривой напряжения, значительно приблизив его форму к синусоидальной, как показано на фигуре 7.
Фигуры 5, 6 отображают последующие шаги коммутации: третий и четвертый.
На фигуре 7 показана форма кривых напряжений в трехфазной симметричной системе пониженной частоты, сформированной из ЭДС, присутствующих на отводах КО. Кривые построены для интервала времени, равного двум периодам питающей сети.
Осуществление изобретения
В качестве примера рассматривается ПЧ с ТВМП, имеющий 9 секций КО.
В таблице 1 представлены состояния СКл, которые необходимо обеспечивать согласно алгоритму управления ПЧ с ТВМП для N=9 согласно формулам (2.1, 2.2, 2.3) для формирования трехфазной симметричной системы выходных напряжений заданной частоты.