ПОВЫШАЮЩЕ-ПОНИЖАЮЩИЙ НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
CYCLOCONVERTER/CYCLOINVERTER

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к области полупроводниковой преобразовательной техники, и может быть использовано для непосредственного преобразования многофазного переменного напряжения одной частоты в многофазное переменное напряжение другой частоты, регулируемое как вниз, так и вверх от частоты входного напряжения, и с возможностью получения выходного напряжения как большей величины, чем входное напряжение, так и меньшей. Такие преобразователи применимы прежде всего для целей частотного регулирования электропривода переменного тока, а также в автономных системах электрогенерирования переменного тока.
Известен непосредственный преобразователь частоты (Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Новосибирск: НГТУ, 2004, с.483), содержащий в случае, например, трехфазного входного и трехфазного выходного напряжений девять двунаправленных ключей, образующих три звезды, получающих питание от общего входного источника трехфазного напряжения. Общие точки звезд ключей образуют трехфазный выход преобразователя, к которому подключается трехфазная нагрузка, соединенная звездой или треугольником.
Данный непосредственный преобразователь частоты позволяет получать частоту выходного напряжения как ниже, так и выше частоты входного напряжения.
Однако данный преобразователь имеет ограниченные функциональные возможности, так как не позволяет получать величину выходного напряжения больше, чем величина входного напряжения.
Кроме того, известен повышающе-понижающий непосредственный преобразователь частоты (Зиновьев Г.С. и др. Повышающе-понижающие регуляторы переменного напряжения и непосредственные преобразователи частоты. Электротехника, 2000, №11, с.16-20), взятый на прототип, содержащий девять двунаправленных ключей, образующих три звезды, к нулевым точкам которых подключены одними концами три накопительных реактора, к вторым концам которых подсоединены накопительные конденсаторы, вторые концы которых образуют выходные зажимы непосредственного преобразователя частоты, к которым дополнительно подключены входы трехфазного мостового диодного выпрямителя, на выходе которого включен транзистор, кроме того, такой же мостовой выпрямитель подключен к точкам соединения накопительных реакторов и накопительных конденсаторов. Данный преобразователь имеет расширенные функциональные возможности, так как позволяет получать величину выходного напряжения больше, чем величина входного напряжения.
Однако указанный непосредственный преобразователь частоты является сложным, т.к. содержит две дополнительные группы полупроводниковых вентилей (диодов с транзистором).
Задачей предлагаемого изобретения является создание более простого повышающе-понижающего непосредственного преобразователя частоты с более простой конструкцией.
Это достигается тем, что в известном повышающее-понижающем непосредственном преобразователе частоты, например, трехфазного напряжения в трехфазное, содержащем три группы двунаправленных входных ключей соответственно трем выходным фазам преобразователя, соединенные в каждой группе одними своими концами в звезду, а вторыми концами соответственно объединенные между группами и образующие вход вентильной части непосредственного преобразователя частоты, а также нагрузку, введены три накопительных реактора, три накопительных конденсатора, трехфазный мостовой диодный выпрямитель с транзистором на выходе, причем накопительные реакторы и накопительные конденсаторы включены последовательно между питающей сетью и входами вентильной части непосредственного преобразователя частоты, а к точкам соединения накопительных реакторов и накопительных конденсаторов подключены входы трехфазного мостового диодного выпрямителя с транзистором на выходе.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого повышающе-понижающего непосредственного преобразователя частоты, на фиг.2 показаны временные диаграммы работы системы управления, на фиг.3 показаны временные диаграммы выходного напряжения преобразователя с его первой гармоникой в режиме повышения выходного напряжения над входным напряжением питающей сети 220 В, а также ток фазы нагрузки, на фиг.4 показаны временные диаграммы выходного напряжения преобразователя с его первой гармоникой в режиме понижения величины выходного напряжения над величиной входного напряжения питающей сети, а также ток фазы нагрузки преобразователя.
Предлагаемый повышающе-понижающий непосредственный преобразователь частоты (фиг.1) содержит собственно классический непосредственный преобразователь частоты 1, три группы 2, 3, 4 двунаправленных ключей переменного тока (варианты выполнения ключей переменного тока известны, см., например, вышеуказанную книгу Основы силовой электроники, с.454), соответственно трем выходным фазам X, Y, Z преобразователя, соединенные в группе ключей 5, 6, 7, группе ключей 8, 9, 10 и группе ключей 11, 12, 13 одними своими концами ключей в звезду, а вторыми концами соответственно объединенные между группами и образующие вход a, b, c вентильной части собственно классического непосредственного преобразователя частоты 1, а также трехфазную нагрузку 14. Кроме того, непосредственный преобразователь частоты содержит коммутируемые LC-цепи 15, состоящие из последовательно соединенных с каждой фазой входа A, B, C накопительного реактора 16 и накопительного конденсатора 17, а также трехфазного мостового диодного выпрямителя 18 с транзистором на выходе 19. При этом накопительные реакторы и накопительные конденсаторы включены последовательно между питающей сетью A, B, C и входами a, b, c классического непосредственного преобразователя частоты 1, а к точкам соединения накопительных реакторов и накопительных конденсаторов подключены входы трехфазного мостового диодного выпрямителя 18 с транзистором 19 на выходе.
Предлагаемый повышающе-понижающий непосредственный преобразователь частоты (фиг.1) работает следующим образом. Так как способов управления транзисторными непосредственными преобразователями частоты (матричными конверторами) много, то описание работы предлагаемого непосредственного преобразователя частоты сделаем на примере циклического управления им как наиболее известного и простого для пояснения работы повышающе-понижающего непосредственного преобразователя частоты. Система управления генерирует три последовательности прямоугольных импульсов 20, 21, 22 фиг.2 с частотой, равной сумме частоты входного питающего напряжения непосредственного преобразователя частоты и частоты напряжения, желаемого на выходе преобразователя. Указанные последовательности импульсов образуют трехфазную систему, т.е. сдвинуты по фазе соответственно на треть и две трети своего периода. Четвертая последовательность импульсов 23 системы управления соответствует импульсам во всех паузах трехфазной совокупности указанных импульсных последовательностей и имеет тройную частоту по сравнению с ними. Из этих четырех последовательностей известным образом формируются последовательности прямоугольных импульсов для управления ключами непосредственного преобразователя частоты (см. указанную выше книгу, с.482.), Например, для ключа 1 последовательность прямоугольных импульсов для управления 24 образуется из логической суммы последовательностей 20 и 23. Нижняя диаграмма показывает входное напряжение фазы A непосредственного преобразователя частоты.
В первом такте управления во время действия логической суммы последовательностей прямоугольных импульсов 20, 21, 22 на транзистор 19 он включен и замыкает выход трехфазного мостового диодного выпрямителя 18. Накопительные реакторы 15 замкнуты при этом в звезду и в них нарастает ток под действием напряжения питающей сети. Одновременно последовательности прямоугольных импульсов 20, 21, 22 включают соответствующие ключи классического непосредственного преобразователя частоты 1 и на его выходах X, Y, Z формируются импульсы напряжения из напряжений накопительных конденсаторов 17, соединенных на этих интервалах также в звезду через трехфазный мостовой диодный выпрямитель 18 и транзистор 19. Форма напряжения на выходе одной фазы преобразователя показана на фиг.3 на первой диаграмме, а на второй - ток нагрузки этой фазы.
Во втором такте управления последовательность импульсов 22 системы управления подается одновременно на три ключа, например 5, 6 и 7 одной фазы выхода преобразователя, и три ключа, например 5, 8, и 11 одной фазы входа преобразователя. Первая комбинация импульсов управления обеспечивает замыкание в зеркальную звезду накопительных конденсаторов 17 (по сравнению с предыдущей звездой их соединения) уже по их правым выводам, обеспечивая подключение их к питающей сети через накопительные реакторы 16. При этом энергия, накопившаяся на предыдущем первом такте в накопительных реакторах 16, передается в накопительные конденсаторы 17, восполняя ее потерю от их разряда на нагрузку в первом такте. Одновременно с этим фазы нагрузки 14 оказываются замкнуты между собой, напряжение на нагрузке равно нулю, а ток в нагрузке спадает, как это видно из фиг.3. Если длительность импульса последовательности 20 больше длительности импульса последовательности 23, то амплитуда напряжения на выходе непосредственного преобразователя частоты больше амплитуды напряжения фазы питающей сети (здесь более 500 вольт по сравнению с 308 вольт амплитуды напряжения фазы питающей сети). При обратном соотношении между длительностями указанных последовательностей амплитуда напряжения на выходе непосредственного преобразователя частоты меньше амплитуды напряжения фазы питающей сети, как это видно из диаграмм напряжения на фиг.4, где амплитуда напряжения на выходе непосредственного преобразователя частоты около 70 вольт. Ситуация подобна соотношению выходного и входного напряжений, известного dc-dc конвертора Кука при аналогичном соотношении между длительностями импульсов на первом и втором такте управления в нем (см. с.354 вышеуказанной книги).
Таким образом, предлагаемый повышающее-понижающий непосредственный преобразователь частоты по сравнению с прототипом при полной идентичности функциональных возможностей по выходу (режимы повышения и понижения напряжения) является более простым, т.к. не требует второго трехфазного мостового диодного выпрямителя с транзистором на его выходе.