ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
THYRISTOR FREQUENCY CONVERTER

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника питания обмоток двухфазных асинхронных двигателей, для индукционного нагрева поверхности металла при его подогреве или закаливании, для питания тигельных печей, для сварки металлоконструкций и изделий при производстве ремонтных работ в различных областях народного хозяйства.
Известен тиристорный преобразователь частоты для питания электротехнологических установок [SU 1683150 A1, МПК 5 Н02М 5/45, опубл. 07.10.1991], содержащий источник питания на трехфазном управляемом тиристорном выпрямителе и магнитно-связанных дросселях фильтра. К источнику питания подключен однофазный мостовой инвертор на четырех тиристорах с коммутирующим конденсатором в диагонали переменного тока, блоки управления выпрямителем и инвертором, выходы которых соединены с управляющими электродами соответственно тиристоров выпрямителя и инвертора, и датчик тока, который включен в цепь одного тиристора инвертора последовательно с коммутирующим конденсатором и дросселем, причем инвертор зашунтирован обратным диодом.
Недостатком аналога является низкая надежность, что объясняется ухудшением условий пуска при изменении сопротивления нагрузки в сторону короткого замыкания.
Известен преобразователь частоты для индукционного нагрева [SU 970602 A1, МПК 5 Н02М 5/42, опубл. 30.10.1982], состоящий из управляемого мостового выпрямителя с индуктивно-емкостным фильтром, мостового вентильного преобразователя частоты с коммутирующим конденсатором и обратными диодами, трансформатора, резонансного LC-контура индуктора и блока управления, который снабжен дополнительным конденсатором и датчиком напряжения. Выход датчика напряжения подключен к блоку управления и дополнительному конденсатору.
Недостатками этого устройства являются: низкая надежность, обусловленная возможным выходом из строя силовых вентилей преобразователя при замыканиях в резонансном LC-контуре вследствие появления на дополнительном конденсаторе постоянной составляющей, вызывающей срабатывание датчика напряжения и подачи на блок управления запрещающих импульсов; сложность регулирования напряжения в нагрузке; значительные габариты из-за наличия нескольких конденсаторов и дросселей.
Известен двухзвенный тиристорный преобразователь частоты со звеном постоянного тока и инвертором напряжения, выбранный в качестве прототипа. [Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. «Основы преобразовательной техники». - М.: Высшая школа, 1980. - С. 283-284, рис. 5.1 - функциональная схема преобразователя частоты, - С. 272-274, рис. 4.66 - схема инвертора напряжения]. Этот преобразователь частоты содержит неуправляемый выпрямитель с емкостным фильтром, к положительному и к отрицательному выводам которого через первые выводы основных обмоток первого и второго двухобмоточных дросселей постоянного тока подключены три идентичных однофазных мостовых инвертора напряжения. Причем второй вывод первой основной обмотки первого двухобмоточного дросселя в однофазном инверторе напряжения соединен с анодами первого силового тиристора и первого коммутирующего тиристора. Второй вывод второй основной обмотки второго двухобмоточного дросселя в однофазном инверторе напряжения соединен с катодом второго силового тиристора, а катод второго силового тиристора соединен с катодом второго коммутирующего тиристора. Первый вывод коммутирующего конденсатора подключен к аноду второго коммутирующего тиристора и к катоду первого коммутирующего тиристора, второй вывод коммутирующего конденсатора подключен к катоду первого силового тиристора и аноду второго силового тиристора. Катод первого силового тиристора соединен с анодом первого обратного диода, катод которого подключен к положительному выводу емкостного фильтра. Катод второго обратного диода соединен с анодом второго силового тиристора, а анод второго обратного диода подключен к отрицательному выводу емкостного фильтра. Управляющие электроды первого и второго силовых тиристоров и первого и второго коммутирующих тиристоров соединены с блоком управления инвертором. Первый вывод дополнительной обмотки первого двухобмоточного дросселя через аналогичные обмотки первых дросселей второго и третьего однофазных инверторов напряжения подключен к положительному выводу емкостного фильтра. Второй вывод дополнительной обмотки первого двухобмоточного дросселя подключен к катоду первого дополнительного диода, а его анод соединен с отрицательным выводом емкостного фильтра. Катод второго дополнительного диода подключен к положительному выводу емкостного фильтра, а его анод соединен с первым выводом дополнительной обмотки второго двухобмоточного дросселя, второй вывод дополнительной обмотки второго двухобмоточного дросселя через аналогичные обмотки вторых дросселей второго и третьего однофазных инверторов напряжения подключен к отрицательному выводу емкостного фильтра.
Нагрузка трехфазного преобразователя частоты включена в звезду и подключена с одной стороны к общей точке звезды, с другой стороны через силовые тиристоры с последовательно включенными обмотками дросселей к фильтру неуправляемого выпрямителя.
Недостатками прототипа являются: значительная установленная мощность дросселей в цепи силовых тиристоров; требуется предварительная подготовка инвертора к пуску, так как в начале работы следует зарядить коммутационные конденсаторы; отсутствует гальваническая развязка нагрузки и высоковольтной цепи преобразователя частоты.
Задачей изобретения является уменьшение массогабаритных показателей тиристорного преобразователя частоты, уменьшение времени подготовки его к работе, обеспечение гальванической развязки высоковольтной части инвертора и нагрузки.
Предложенный тиристорный преобразователь частоты, так же как в прототипе, содержит неуправляемый выпрямитель, выполненный по мостовой схеме, подключенный с одной стороны к питающей сети, с другой стороны к фильтру, к положительному и к отрицательному выводам которого подключен однофазный инвертор напряжения, содержащий два силовых тиристора, два коммутирующих тиристора, коммутирующий конденсатор и два обратных диода, катод первого силового тиристора соединен с анодом первого обратного диода, катод которого подключен к положительному выводу фильтра, катод второго силового тиристора соединен с катодом второго коммутирующего тиристора, катод второго обратного диода соединен с анодом второго силового тиристора, один вывод коммутирующего конденсатора подключен к аноду второго коммутирующего тиристора, управляющие электроды первого и второго силовых тиристоров и первого и второго коммутирующих тиристоров соединены с блоком управления инвертором, два диода, дроссель.
Согласно изобретению в инверторе напряжения аноды первого и второго силовых тиристоров соединены с положительным выводом конденсатора фильтра, анод второго обратного диода соединен с катодом второго силового тиристора, катод первого силового тиристора соединен с катодом первого коммутирующего тиристора, к аноду которого подключен катод первого отсекающего диода, анод которого соединен с отрицательным выводом конденсатора фильтра. К аноду второго коммутирующего тиристора подключен катод второго отсекающего диода, анод которого соединен с отрицательным выводом конденсатора фильтра. Трансформатор содержит две первичные полуобмотки, первую и вторую, соединенные последовательно и согласно, образуя средний вывод. Начало первой полуобмотки трансформатора подключено к катодам первого силового тиристора и первого коммутирующего тиристора, а конец второй полуобмотки подключен к катодам второго силового тиристора и второго коммутирующего тиристора. К вторичной обмотке трансформатора параллельно подсоединена активно-индуктивная нагрузка. К среднему выводу трансформатора подключено начало основной обмотки трехобмоточного дросселя, конец основной обмотки которого соединен с отрицательным выводом конденсатора фильтра. Начало первой дополнительной обмотки дросселя соединено с анодом диода заряда коммутирующего конденсатора, катод которого подключен к одному выводу коммутирующего конденсатора и к аноду первого коммутирующего тиристора. Конец первой дополнительной обмотки трехобмоточного дросселя соединен со вторым выводом коммутирующего конденсатора и положительным выводом конденсатора фильтра. Начало второй дополнительной обмотки трехобмоточного дросселя подключено к одному выводу конденсатора накопителя электрической энергии и к отрицательному выводу конденсатора фильтра. Конец второй дополнительной обмотки трехобмоточного дросселя подключен к аноду диода заряда конденсатора накопителя электрической энергии, катод которого соединен со вторым выводом конденсатора накопителя электрической энергии и с анодом дополнительного тиристора, катод которого подключен к среднему выводу трансформатора. Управляющий электрод дополнительного тиристора соединен с блоком управления инвертором.
Предлагаемое устройство имеет значительно меньшую мощность дросселя, а следовательно и меньшие массогабаритные показатели, так как в инверторе напряжения используется только один трехобмоточный дроссель вместо двух двухобмоточных дросселей в прототипе, а две дополнительные обмотки трехобмоточного дросселя имеют значительно меньшую мощность и по ним не протекают силовые токи преобразователя частоты. Тиристорный преобразователь частоты готов к работе сразу после включения, так как схема коммутации не требует предварительной подготовки, а заряд коммутирующего конденсатора осуществляется в момент включения любого из двух силовых тиристоров. Активно-индуктивная нагрузка подключена к трансформатору инвертора напряжения, чем и обеспечивается гальваническая развязка нагрузки и высоковольтной цепи инвертора напряжения.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема тиристорного преобразователя частоты.
На фиг. 2 показаны временные диаграммы, поясняющие работу тиристорного преобразователя частоты.
Тиристорный преобразователь частоты содержит неуправляемый диодный выпрямитель 1, выполненный по мостовой схеме, подключенный с одной стороны к питающей сети, с другой стороны - к конденсатору 2 фильтра. К положительному выводу 3 и к отрицательному выводу 4 конденсатора 2 фильтра подключен однофазный инвертор напряжения 5, который содержит два силовых тиристора - первый 6 и второй 7. Аноды первого 6 и второго 7 силовых тиристоров соединены с положительным выводом 3 конденсатора 2 фильтра. Каждый из силовых тиристоров 6 и 7 соответственно шунтирован обратным диодом 8 и 9. Управляющие электроды первого 6 и второго 7 силовых тиристоров подключены к блоку управления инвертором 10.
Катод первого силового тиристора 6 соединен с катодом первого коммутирующего тиристора 11. Катод второго силового тиристора 7 соединен с катодом второго коммутирующего тиристора 12. К аноду первого коммутирующего тиристора 11 подключен катод первого отсекающего диода 13, анод которого соединен с отрицательным выводом 4 конденсатора 2 фильтра. К аноду второго коммутирующего тиристора 12 подключен катод второго отсекающего диода 14, анод которого соединен с отрицательным выводом 4 конденсатора 2 фильтра. Управляющие электроды первого 11 и второго 12 коммутирующих тиристоров подключены к блоку управления инвертором 10.
Трансформатор 15 инвертора напряжения 5 содержит две первичные полуобмотки, первую 16 и вторую 17, соединенные последовательно и согласно. Начало первой полуобмотки 16 подключено к катодам первого силового тиристора 6 и первого коммутирующего тиристора 11, а конец второй полуобмотки 17 подключен к катодам второго силового тиристора 7 и второго коммутирующего тиристора 12. Конец первой полуобмотки 16 трансформатора 15 и начало второй полуобмотки 17 трансформатора 15 объединены и образуют средний вывод 18.
К вторичной обмотке 19 трансформатора 15 параллельно подсоединена активно-индуктивная нагрузка 20. Начала обмоток трансформатора 15 обозначены точками.
К среднему выводу 18 трансформатора 15 подключено начало основной обмотки 21 трехобмоточного дросселя 22. Конец основной обмотки 21 соединен с отрицательным выводом 4 конденсатора 2 фильтра. Начала обмоток трехобмоточного дросселя 22 обозначены точками.
Начало первой дополнительной обмотки 23 дросселя 22 соединено с анодом диода 24 заряда коммутирующего конденсатора 25. Катод диода 24 подключен к одному выводу коммутирующего конденсатора 25 и одновременно к анодам первого 11 и второго 12 коммутирующих тиристоров. Конец первой дополнительной обмотки 23 дросселя 22 соединен со вторым выводом коммутирующего конденсатора 25 и положительным выводом 3 конденсатора 2 фильтра.
Начало второй дополнительной обмотки 26 трехобмоточного дросселя 22 подключено к одному выводу конденсатора 27 - накопителя электрической энергии и одновременно к отрицательному выводу 4 конденсатора 2 фильтра. Конец второй дополнительной обмотки 26 трехобмоточного дросселя 22 подключен к аноду диода заряда 28 конденсатора 27 - накопителя электрической энергии. Катод диода заряда 28 соединен со вторым выводом конденсатора 27 - накопителя электрической энергии и одновременно с анодом дополнительного тиристора 29, катод которого подключен к среднему выводу 18 трансформатора 15. Управляющий электрод дополнительного тиристора 29 соединен с блоком управления инвертором 10.
Блок управления инвертором может быть выполнен на аналоговых, цифровых элементах или микропроцессоре.
Преобразователь частоты работает следующим образом. При подаче трехфазного напряжения на неуправляемый диодный выпрямитель 1 на его выходе получается пульсирующее постоянное напряжение, которое поступает на конденсатор 2 фильтра. Конденсатор 2 заряжается до напряжения на выходе выпрямителя 1, так что на его выходе образуются положительный вывод 3 и отрицательный вывод 4.
1
í
у6
1
2
В момент времени t, когда ток i нагрузки 20 проходит через ноль (фиг. 2, а), первый силовой тиристор 6 открыт импульсом напряжения управления U (фиг. 2, б). На интервале времени t-t по контуру: положительный вывод 3 конденсатора 2 фильтра, первый силовой тиристор 6, первая первичная полуобмотка 16 трансформатора 15, основная обмотка 21 трехобмоточного дросселя 22, отрицательный вывод 4 конденсатора 2 фильтра протекает ток. Протекающий по первой первичной полуобмотке 16 трансформатора 15 ток вызывает появление в магнитопроводе трансформатора 15 потокосцепление. Изменяющееся по линейному закону потокосцепление в магнитопроводе трансформатора 15 наводит во вторичной обмотке 19 постоянную по амплитуде положительную полуволну ЭДС (фиг. 2, в). При положительном полупериоде и постоянной по амплитуде ЭДС на вторичной обмотке 19 трансформатора 15, через активно-индуктивную нагрузку 20 инвертора напряжения 5 протекает экспоненциально изменяющийся ток (фиг. 2, а). Протекающий по основной обмотке 21 трехобмоточного дросселя 22 ток открытого первого силового тиристора 6 наводит в первой дополнительной обмотке 23 дросселя 22 ЭДС, которая через диод 24 заряжает коммутирующий конденсатор 25 напряжением, так, что на его нижней обкладке накапливается положительный потенциал. Для надежного запирания первого силового тиристора 6 напряжение на коммутирующем конденсаторе 25 должно быть больше выходного напряжения конденсатора 2 фильтра между выводами 3 и 4.
2
у11
В момент времени t импульсом напряжения управления U (фиг. 2, г) от блока управления инвертором 10 отпирается первый коммутирующий тиристор 11. Коммутирующий конденсатор 25 разряжается по цепи: плюс нижней обкладки коммутирующего конденсатора 25, первый коммутирующий тиристор 11, первый обратный диод 8, минус верхней обкладки конденсатора 25. При этом потенциал катода первого силового тиристора 6 будет выше потенциала его анода и тиристор 6 закрывается.
í
2
3
За счет накопленной энергии в индуктивности нагрузки 20 и индуктивности первой дополнительной обмотки 23 трехобмоточного дросселя 22 ток первой первичной полуобмотки 16 трансформатора 15 будет продолжать протекать в том же направлении по контуру: конец первой первичной полуобмотки 16 трансформатора 15, основная обмотка 21 трехобмоточного дросселя 22, первый отсекающий диод 13, первый коммутирующий тиристор 11, начало первой первичной полуобмотки 16 трансформатора 15. В результате ток i активно-индуктивной нагрузки 20 на интервале времени t-t (фиг. 2, а) снижается по экспоненциальному закону. ЭДС во второй дополнительной обмотке 26 трехобмоточного дросселя 22 меняет полярность на противоположную, происходит заряд конденсатора 27 - накопителя электрической энергии по следующей цепи: конец второй дополнительной обмотки 26 трехобмоточного дросселя 22, диод 28 заряда конденсатора накопителя электрической энергии, верхняя обкладка конденсатора 27 - накопителя электрической энергии, на которой накапливается положительный потенциал, нижняя обкладка конденсатора 27, начало второй дополнительной обмотки 26 трехобмоточного дросселя 22.
3
у29
В момент времени t импульсом напряжения управления U (фиг. 2, д) от блока управления инвертором 10 открывается дополнительный тиристор 29 и накопленная энергия конденсатора 27 - накопителя электрической энергии, суммируясь с остаточной энергией второй первичной полуобмотки 17 трансформатора 15, сбрасывается в конденсатор 2 фильтра по цепи: плюс верхней обкладки конденсатора 27 - накопителя электрической энергии, дополнительный тиристор 29, начало второй первичной полуобмотки 17 трансформатора 15, конец второй первичной полуобмотки 17 трансформатора 15, второй обратный диод 9, положительный вывод 3 конденсатора 2 фильтра, отрицательный вывод 4, нижняя отрицательная обкладка конденсатора 27.
3
у7
4
В момент времени t импульс напряжения управления U (фиг. 2, е) от блока управления инвертором 10 подается на второй силовой тиристор 7, однако он открывается только тогда, когда вся реактивная энергия второй первичной полуобмотки 17 трансформатора 15 и, накопленная энергия конденсатора 27 будет сброшена в конденсатор 2 фильтра, а ток второго обратного диода 9 станет равным нулю. Одновременно в момент времени t (фиг. 2, а) станет равным нулю ток нагрузки 20.
4
5
H
5
у12
На интервале времени t-t через открывшийся второй силовой тиристор 7 от выпрямителя 1 будет протекать ток по контуру: положительный вывод 3 конденсатора 2 фильтра, второй силовой тиристор 7, вторая первичная полуобмотка 17 трансформатора 15, основная обмотка 21 трехобмоточного дросселя 22, отрицательный вывод 4 конденсатора 2 фильтра. Во вторичной обмотке 19 трансформатора 15 наводится отрицательная ЭДС (фиг. 2, в), под действием которой в активно-индуктивной нагрузке 20 будет нарастать по абсолютной величине ток, изменяющийся по экспоненциальному закону (фиг. 2, а). В первой дополнительной обмотке 23 трехобмоточного дросселя 22 будет наводиться ЭДС, заряжающая коммутирующий конденсатор 25 через диод 24. Нарастание по абсолютной величине тока i нагрузки 20 будет продолжаться до момента времени t, когда от блока управления инвертором 10 на управляющий электрод второго коммутирующего тиристора 12 будет подано напряжение управления U (фиг. 2, ж). Второй коммутирующий тиристор 12 откроется и заряженный коммутирующий конденсатор 25 начнет разряжаться по контуру: плюс нижней обкладки коммутирующего конденсатора 25, второй коммутирующий тиристор 12, второй обратный диод 9, минус верхней обкладки коммутирующего конденсатора 25. Второй силовой тиристор 7 закрывается, так как потенциал его катода будет выше потенциала анода.
5
6
За счет накопленной энергии в индуктивности нагрузки 20 и индуктивности основной обмотки 21 трехобмоточного дросселя 22 ток во второй первичной полуобмотке 17 трансформатора 15 будет продолжать протекать в том же направлении по контуру: начало второй первичной полуобмотки 17 трансформатора 15, основная обмотка 21 трехобмоточного дросселя 22, второй отсекающий диод 14, второй коммутирующий тиристор 12, конец второй первичной полуобмотки 17 трансформатора 15. В результате, на интервале времени t-t ток в активно-индуктивной нагрузке 20 будет спадать по экспоненциальному закону. При этом ЭДС в основной обмотке 21 трехобмоточного дросселя 22 меняет полярность на противоположную и происходит заряд конденсатора 27 - накопителя электрической энергии по контуру: конец второй дополнительной обмотки 26 трехобмоточного дросселя 22, диод 28, верхняя обкладка конденсатора 27 - накопителя электрической энергии, на которой накапливается положительный потенциал, нижняя обкладка конденсатора 27 - накопителя электрической энергии, начало второй дополнительной обмотки 26 трехобмоточного дросселя 22.
6
у29
6
В момент времени t от блока управления инвертором 10 подается напряжение управления U (фиг. 2, д) на дополнительный тиристор 29, он открывается и накопленная энергия конденсатора 27 - накопителя электрической энергии, суммируясь с остаточной энергией первой первичной полуобмотки 16 трансформатора 15, сбрасывается в конденсатор 2 фильтра по цепи: плюс верхней обкладки конденсатора 27 - накопителя электрической энергии, дополнительный тиристор 29, конец первой первичной полуобмотки 16 трансформатора 15, начало первой первичной полуобмотки 16 трансформатора 15, первый обратный диод 8, положительный вывод 3 конденсатора 2 фильтра, отрицательный вывод 4, нижняя отрицательная обкладка конденсатора 27. Одновременно в момент времени t (фиг. 2, б) импульс напряжения управления подается на силовой тиристор 6, однако он открывается только тогда, когда вся реактивная энергия первой первичной полуобмотки 16 трансформатора 15 и энергия конденсатора 27 - накопителя электрической энергии будет сброшена в конденсатор 2 фильтра и ток первого обратного диода 8 станет равен нулю. Одновременно станет равен нулю ток активно-индуктивной нагрузки 20.
Далее процессы в тиристорном преобразователе частоты повторяются.