ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области электротехники (конкретно к области электрических машин и силовой преобразовательной техники) и может быть использована при построении различного рода генерирующих систем (например, системы «Асинхронизированный синхронный генератор») и частотно-управляемых электроприводов.
р
м
s
м
p
Известны преобразователи частоты непосредственного типа, у которого имеются две последовательно соединенные трехфазные обмотки (генерирующие напряжение частоты f), принадлежащие либо трансформатору (см. стр.10 в журнале «Электротехника», 1981, №3,), либо вспомогательному синхронному генератору, являющемуся составной частью системы «Асинхронизированный синхронный генератор», причем концы этих обмоток подключены к силовым входам двух управляемых трехцепевых ключей-короткозамыкателй, которые в противотакте управляются от задающего генератора частоты f. На выходных выводах преобразователя частоты, которыми являются указанные точки соединения трехфазных обмоток, формируется квазисинусоидальное напряжение, основной гармоникой которого является гармоника разностной частоты f=f-f.
Недостатками этого преобразователя частоты являются пониженные его значения надежности и КПД, которые вызваны импульсными перенапряжениями на его ключевых элементах, обусловленных индуктивностями рассеяния обмоток трансформатора (или генератора).
Наиболее близким по техническому решению к полезной модели является преобразователь частоты непосредственного типа, описанный на стр.9 в журнале «Электротехника», 1966, №10. Преобразователь частоты содержит генерирующий узел в виде двух одинаковых согласно последовательно соединенных трехфазных или в общем случае М-фазных обмоток трехфазного трансформатора или генератора, точки соединения которых образуют выходные выводы преобразователя частоты, два управляемых трехцепевых ключа-короткозамыкателя, каждый в виде трехфазного диодного моста с управляемым основным ключом, включенным между выводами его постоянного тока, причем три вывода переменного тока каждого моста подключены к концам одной из трехфазных обмоток, а также блок управления, включающий в себя генератор импульсов прямоугольной формы с парафазными выходами, каждый из которых подключен к управляющему входу одного из основных ключей.
Однако, в известном техническом решении заметно снижена энергетическая эффективность преобразователя частоты.
Техническим результатом полезной модели является повышение энергетической эффективности преобразователя частоты.
Этот технический результат достигается тем, что в известном преобразователе частоты, содержащем генерирующий узел в виде двух одинаковых согласно последовательно соединенных М-фазных обмоток М-фазного трансформатора или генератора, где М≥2 - целое число, точки соединения которых образуют выходные выводы преобразователя частоты, два управляемых М-цепевых короткозамыкателя, каждый в виде М-фазного диодного моста с управляемым основным ключом, включенным между выводами его постоянного тока, причем М выводов переменного тока каждого моста подключены к концам одной из М-фазных обмоток М-фазного трансформатора или генератора, а также блок ограничения импульсных перенапряжений и блок управления, включающий в себя генератор импульсов прямоугольной формы с парафазными выходами, каждый из которых подключен к управляющему входу одного из основных ключей, блок ограничения импульсных перенапряжений выполнен в виде четырех разделительных диодов, буферной цепочки из последовательно включенных дополнительного управляемого ключа, накопительного конденсатора, зашунтированного разрядным узлом, компаратора с регулируемым уровнем гистерезиса, выходом подключенного к управляющему входу дополнительного ключа, и задатчика уровня ограничения импульсных перенапряжений, выходом подключенного к опорному входу компаратора, причем разделительные диоды подключены к соответствующим выводам постоянного тока трехфазных диодных мостов таким образом, что образуют дополнительный выпрямитель, к выводам постоянного тока которого подключены упомянутая буферная цепочка и измерительный вход компаратора.
В другом варианте выполнения полезной модели технический результат достигается тем, что известный преобразователь частоты, содержащий генерирующий узел в виде двух одинаковых согласно последовательно соединенных М-фазных обмоток генератора или М-фазного трансформатора, точки соединения которых образуют выходные выводы М-фазного преобразователя частоты, два управляемых М-цепевых короткозамыкателя, каждый в виде М-фазного диодного моста с управляемым основным ключом, включенным между выводами его постоянного тока, причем М выводов переменного тока каждого диодного моста подключены к концам одной из М-фазных обмоток генератора или М-фазного трансформатора, а также блок ограничения импульсных перенапряжений и блок управления, включающий в себя генератор импульсов прямоугольной формы с парафазными выходами, снабжен третьим управляемым М-цепевым короткозамыкателем, выполненным аналогично двум вышеуказанным короткозамыкателям (в виде М-фазного диодного моста с управляемым основным ключом, подключенным к выводам его постоянного тока), причем М его выводов переменного тока подключены к выходным выводам преобразователя частоты, блок управления снабжен делителем частоты на 2 с парафазными выходами, своим входом подключенным к генератору импульсов прямоугольной формы, а также генератором пилообразного напряжения, компаратором и логическим узлом, который своими выходами подключен к управляющим входам трех упомянутых основных ключей, вход генератора пилообразного напряжения подключен к выходу генератора импульсов прямоугольной формы, его выход - к одному входу компаратора, второй вход которого предназначен для подачи на него сигнала управления выходным напряжением преобразователя частоты, выходы компаратора и делителя частоты подключены ко входам логического узла, блок ограничения импульсных перенапряжений выполнен в виде шести разделительных диодов, которые подключены к соответствующим выводам постоянного тока каждого из трех М-фазных диодных мостов таким образом, что образуют дополнительный выпрямитель, буферной цепочки из последовательно включенных дополнительного управляемого ключа и накопительного конденсатора, зашунтированного разрядным узлом, компаратора с управляемым уровнем гистерезиса, выходом подключенного к управляющему входу дополнительного ключа, и задатчика уровня ограничения импульсных перенапряжений, выходом подключенного к опорному входу компаратора, а к выходу дополнительного выпрямителя, образованного разделительными диодами, подключена буферная цепочка и измерительный вход компаратора.
Сущность полезной модель поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема преобразователя частоты по первому варианту; на фиг.2 приведена схема преобразователя частоты по другому варианту выполнения преобразователя; на фиг.3 для преобразователя частоты по первому варианту приведены осциллограммы выходных напряжения и тока преобразователя частоты - а) и напряжения на одном из основных его ключей - б); на фиг.4 приведены временные диаграммы для преобразователя частоты по второму варианту, поясняющие принцип построения и работы его блока управления.
м
Преобразователь частоты содержит трехфазный трансформатор 1 с первичной трехфазной обмоткой 2, соединенной в «звезду» и своими концами образующую силовые входные выводы преобразователя «А», «В», «С», и с двумя одинаковыми вторичными трехфазными обмотками 3 и 4, которые соединены между собой согласно последовательно, а точки их соединения образуют выходные выводы преобразователя частоты «а», «b», «с». Свободные концы вторичных трехфазных обмоток 3, 4 подключены к силовым входам управляемых трехцепевых короткозамыкателей 5 и 6, каждый из которых выполнен в виде трехфазного диодного моста 7 и 8 с полностью управляемым ключевым элементом 9 и 10, включенным в цепь постоянного тока соответствующего моста. Блок управления 11 преобразователем частоты выполнен в виде генератора импульсов прямоугольной формы с парафазными (противотактными) выходами, генерирующего импульсы F и  прямоугольной формы (частоты f). Его выходы подключены к управляющим входам ключевых элементов 9, 10. Преобразователь частоты содержит также блок 12 ограничения импульсных перенапряжений на ключевых элементах 9, 10. Этот узел содержит разделительные диоды 13÷16, через которые выходы мостов 7, 8 подключены к цепочке из последовательно соединенных дополнительного ключевого элемента 17 и накопительного конденсатора 18, а также узел управления 19 ключевым элементом 17, выполненный в виде компаратора 19 с гистерезисной характеристикой и имеющий три входа. Измерительный его вход подключен к точкам «m», «n» блока 12. Второй его вход подключен к выходу задатчика опорного сигнала 20 (которым обеспечивается ограничение импульсного перенапряжения на ключах 9, 10 на требуемом уровне). Третий вход 21 предназначен для регулировки уровня гистерезиса. Параллельно конденсатору 18 подключен разрядный узел 22. Нагрузку 23 подключают к выходным выводам «а», «b», «с», преобразователя.
Число М - целое число, характеризующее фазность преобразователя частоты, может принимать любые практически необходимые значения: М≥2.
ГПН
9
10
26
В другом варианте выполнения преобразователь частоты содержит следующие дополнительные элементы: третий трехцепевой короткозамыкатель 24 в виде трехфазного диодного моста 25 с управляемым ключом 26 в цепи постоянного тока, а также разделительные диоды 27, 28. Блок управления 11 кроме генератора импульсов прямоугольной формы 29, который здесь выполнен иначе - с частотой выходных импульсов 2f и является уже составной частью блока 11, содержит также делитель частоты на два 30 с парафазными выходами (и с выходными импульсами F и ), генератор пилообразного напряжения 31 (с выходным сигналом U), компаратор 32 (с выходным сигналом s) и логический узел 33, формирующий сигналы управления ψ, ψ, ψ основными ключами 9, 10, 26.
Преобразователь частоты по первому варианту работает следующим образом.
p
м
м
s
м
p
На его входные силовые выводы «А», «В», «С» подают трехфазное напряжение частоты f. При простейшем алгоритме переключения ключевых элементов (в дальнейшем - просто ключей) 9, 10 генератор 11 формирует импульсы F и  прямоугольной формы со скважностью s=2 с частотой f, обеспечивая попеременное их переключение (фиг.3б). В результате на выходных выводах «а», «b», «с» преобразователя частоты формируется промодулированное частотой f трехфазное напряжение сложной формы (фиг.3а), основной гармоникой которого является полезно используемая гармоника разностной частоты f=|f-f|. При активно-индуктивной нагрузке высшие гармоники тока ослабляются, причем тем в большей степени, чем больше постоянная времени нагрузки , где L и R - индуктивность и активное сопротивление нагрузки соответственно. Поэтому форма тока в нагрузке оказывается значительно больше приближена к синусоидальной форме, чем напряжение на ней (см. фиг.3а)..
s
s
В реальных схемах обмотки генерирующего узла (генератора или трансформатора) содержат индуктивности рассеяния L, которые при переключениях ключей 9, 10 создают на них импульсные перенапряжения с уровнем, пропорциональным значению индуктивности рассеяния L и скорости изменения коммутируемого тока нагрузки:
,
к
к
где Δi- уровень изменения тока от текущего значения до нуля; Δt - интервал времени, в течение которого происходит изменение тока Δi.
s
к
Без принятия специальных мер, эти импульсные перенапряжения приводят к выходу ключей 9, 10 из строя. Если в качестве ключей используют транзисторы, время включения и выключения Δt у которых мало и составляет десятки nS, то даже уже при сравнительно небольшом значении параметра L=1 µН и переключении тока, например, Δi=10 А при времени его переключения Δt=10 nS возникает импульс перенапряжения, равный
Причем это перенапряжение суммируется с тем рабочим напряжением, при котором ключ работает без учета перенапряжения.
имп
20вкл
имп
20вкл
имп
Преобразователь частоты с предложенным блоком 12 ограничения импульсных перенапряжений в значительной степени (не менее, чем на 90%) ослабляет этот недостаток. На осциллограмме, представленной на фиг.3б, благодаря блоку 12 импульсное перенапряжение на ключе 10 снижено с 500 В до 25 В, то есть на 95%. Работает преобразователь частоты с узлом 12 следующим образом. После запирания одного из ключей, например 10, протекавший через обмотки трансформатора ток создает на их индуктивностях рассеяния импульс напряжения u(t) с полярностью, стремящейся поддержать протекание в них тока в том же направлении. Этот импульс напряжения, суммируясь с основным рабочим напряжением, прикладывается к запираемому ключу (10), а также между точками «m», «n» блока 12. К этим же точкам подключен измерительный вход компаратора 19 с гистерезисом, настроенный на требуемый уровень срабатывания - U. При достижении импульсом напряжения u(t) уровня U компаратор 19 срабатывает и выдает импульс на включение дополнительного ключа 17. Он включается и импульсное перенапряжение u(t) прикладывается к накопительному конденсатору 18. После этого энергия
,
к
имп
20вкл
21отп
имп
21отп
имп
имп
имп
накопленная в индуктивностях рассеяния обмоток трансформатора (где I - значение тока в обмотках в момент коммутации ключа 10), передается этому конденсатору, а импульсное перенапряжение u(t) начинает резко снижаться. Компаратор с гистерезисом 19 имеет два уровня - уровень срабатывания (U), задаваемый узлом ограничения уровня перенапряжений 20, и уровень отпускания (U), задаваемый по входу 21 настройки уровня гистерезиса. Требуемые значения этих уровней задаются при настройке. При снижении импульсного напряжения u(t) до уровня U компаратор переходит в противоположное состояние, импульс на включение дополнительного ключа 17 снимается с его управляющего входа, и он выключается. Таким образом, конденсатор 18 подключается на напряжение между точками «m», «n» кратковременно - лишь на время Δt действия импульсного перенапряжения u(t) с заранее установленным допустимым на ключе максимальным значением напряжения. В реальных схемах преобразователей в зависимости от их мощности этот интервал Δt может составлять от долей до нескольких микросекунд. При наступлении момента, когда выключается другой ключ (9), процессы полностью повторяются. В результате периодического включения и выключения ключей 9, 10 на конденсаторе 18 накапливается энергия, сбрасываемая в него с индуктивностей рассеяния обмоток трехфазного трансформатора (или генератора), и поэтому напряжение на нем будет последовательно нарастать. Чтобы не допустить нарастания напряжения на конденсаторе 18 до неприемлемого значения, параллельно ему подключают разрядный узел 22 утилизации энергии конденсатора. В простейшем случае при малых мощностях рассеяния энергии в качестве такого узла может быть установлен резистор. В других случаях (при относительно большой энергии рассеяния) в качестве разрядного элемента могут использоваться энергетически более эффективные (энергонерассеивающие) средства, например, импульсные устройства, обеспечивающие преобразование напряжения постоянного тока (конденсатора) определенного уровня в напряжение требуемого качества для питания вспомогательных узлов или систем.
По энергетической эффективности предложенное средство ограничения импульсных перенапряжений превосходит известные традиционные решения в худшем случае - не менее, чем на порядок, и в лучшем случае - не менее, чем на два порядка.
ГПН
у
ГПН
у
2
2
Преобразователь частоты по второму варианту работает следующим образом. Он отличается от первого варианта тем, что реализует функцию регулирования выходного напряжения. Данная задача решается благодаря тому, что между переключениями ключей 9, 10 вводится регулируемая пауза α. Поскольку при активно-индуктивном характере нагрузки ток в ней во избежание аварийных перенапряжений прерываться не должен, то на интервале α включают ключ 26 трехцепевого короткозамыкателя 24, и таким образом для тока нагрузки обеспечивается путь для его протекания. Для снятия возможных импульсных перенапряжений, которые все же кратковременно могут возникать из-за известной инерционности реального ключа 26 и из-за индуктивностей рассеяния обмоток генерирующего узла (трансформатора в данном случае), введены разделительные диоды 27, 28 через которые энергия, сосредоточенная в реактивностях системы, в моменты перключения ключей сбасывается через управляемый дополнительный ключ 17 в конденсатор 18. Блок управления 11 во втором варианте преобразователя имеет другой вид. Принцип его работы поясняется временными диаграммами на фиг.4. Генератор 29 генерирует парафазные (противофазные) импульсы 2f и  прямоугольной формы. Они поступают на входы делителя частоты 30 и генератора пилообразного напряжения 31. С генератора пилообразного напряжения последовательность импульсов треугольной формы U подается на один вход компаратора 32, а на другой его вход подается управляющий сигнал U. В компараторе сигналы U и U сравниваются, и на его выходе формируется импульсная последовательность S, которая, во-первых, используется для управления ключом 26 трехцепевого короткозамыкателя 24, а во-вторых, подается на соответствующие входы логического узла 33. На входы логического узла 33 подается также пара противофазных импульсов F и  с делителя частоты 30, которые имеют частоту следования f (то есть вдвое меньшую, чем на выходе генератора 29). В логическом узле 33 производится логическая обработка сигналов S и F,  для подачи их на управляющие входы ключей 9, 10 в соответствии со следующими логическими выражениями:
26
; ; ψ=S.
Таким образом, введение в первом варианте преобразователя частоты соответствующим образом выполненного блока ограничения импульсных перенапряжений на его ключах, обусловленных индуктивностями рассеяния обмоток трансформатора (или генератора) и не идеальностью динамических характеристик ключей, позволяет существенно улучшить его энергетические показатели. Такой же эффект достигается и во втором варианте преобразователя, который к тому же реализует еще и функцию регулирования его выходного напряжения. Кроме того, в обоих вариантах преобразователя частоты расширяется область их применения.
Использование полезной модели позволяет повысить энергетическую эффективность преобразователя частоты.