ОБРАТИМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
REVERSIBLE FREQUENCY CONVERTER

Предложение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к обратимым электрическим преобразователям частоты с двойным преобразованием электрической энергии.
Известна схема трехфазного управляемого двухполупериодного выпрямителя (патент CN 102664539 A, класс H02M 7/155, дата выдачи 12.09.2012 г. или патент US 4797802, класс H02M 1/084, дата выдачи 10.01.1989 г.), содержащего шесть тиристоров, включенных по схеме Ларионова. Также известна схема трехфазного полууправляемого двухполупериодного выпрямителя (патент №2778287, класс H02M 7/162, дата выдачи 03.05.1999 г.), содержащего три тиристора, образующих катодную группу, и три диода, образующих анодную группу выпрямителя, включенных по схеме Ларионова. Недостатками известных устройств являются искажение формы напряжения питающей сети при работе выпрямителя, потребление электрическим преобразователем реактивной мощности, невозможность рекуперации электроэнергии обратно в сеть, невозможность получения напряжения на выходе выпрямителя выше уровня напряжения неуправляемого выпрямительного моста.
Известна схема двунаправленного преобразователя частоты (патент CN 101141097 A, класс H02M 5/458, H02M 1/12, H02M 7/219, H02M 7/5387, H02J 3/38, дата выдачи 12.03.2008 г.), содержащего систему управления, фильтр, два активных преобразователя, включенных друг на друга и позволяющих пропускать электрическую энергию в обе стороны, и устройство защиты силовых ключей от коммутационных перенапряжений, состоящее из двух выпрямительных мостов и конденсатора. К достоинствам такого преобразователя можно отнести возможность получения различных уровней напряжения на выходе преобразователя, а также отсутствие промежуточного накопителя энергии в виде конденсатора в силовой части основной схемы. Недостатками такой схемы являются большое количество силовых ключей, наличие устройства защиты силовых ключей от коммутационных перенапряжений, наличие сложного фильтра для получения требуемого качества выходного напряжения.
Наиболее близким по технической сущности является схема обратимого преобразователя частоты (EP 1833153 A2, класс H02M 5/458, H02M 1/12, H02M 1/15, H02P 9/14, H02P 21/06, дата выдачи 12.09.2007 г.), содержащая систему управления, входной дроссель, к выходу которого подключен активный выпрямитель, накопительный конденсатор звена постоянного тока и автономный инвертор напряжения. Положительным эффектом такой схемной реализации является:
- возможность двухстороннего обмена энергией с питающей сетью;
- возможность получать практически синусоидальный сетевой ток в режимах потребления и рекуперации энергии;
- возможность осуществлять регулирование коэффициента мощности;
- возможность регулирования напряжения на выходе активного выпрямителя выше уровня напряжения неуправляемого выпрямителя.
Недостатком такой схемотехнической реализации является невозможность регулировать напряжение в звене постоянного тока обратимого преобразователя частоты ниже уровня напряжения неуправляемого выпрямителя и, как следствие, низкая эффективность либо невозможность работы такого преобразователя на низковольтную нагрузку.
Предлагаемый электрический преобразователь при простой схемной реализации и минимальном числе элементов схемы позволяет осуществлять работу с напряжением в звене постоянного тока, изменяющимся в широком диапазоне как выше, так и ниже уровня напряжения неуправляемого выпрямителя, и, как следствие, возможность изменять амплитуду выходного напряжения обратимого преобразователя частоты в стационарных режимах.
Устройство, схема которого представлена на Фиг.1, содержит систему управления 1, автономный инвертор напряжения 2, тормозную цепочку 3, накопительный конденсатор 4 и трехфазный активный преобразователь 5. Активный преобразователь 5 состоит из входного трехфазного дросселя 6 и выпрямителя 7, реализованного на полупроводниковых элементах. Выпрямитель 7 снабжен тремя анодными цепочками 8, 9, 10, каждая из которых состоит из выпрямительного диода 11, шунтированного транзистором 12, и подключенным антипаралельно тиристором и тремя катодными цепочками 13, 14, 15, каждая из которых состоит из последовательно и согласованно соединенных диода 16 и транзистора 17 и антипараллельно включенного с ними тиристора 18. Анод диода 11 и эммитер транзистора 12 каждой анодной цепи 8, 9, 10 соединены с минусовой шиной постоянного тока 19 обратимого преобразователя частоты, а катод диода 11 и коллектор транзистора 12 каждой анодной цепи 8, 9, 10 соединены со своим выводом переменного тока выпрямителя 7. Анод диода 16 и катод тиристора 18 каждой катодной цепи 13, 14, 15 соединены с плюсовой шиной постоянного тока 20 обратимого преобразователя частоты, а катод диода 16 соединен с коллектором транзистора 17, эммитер которого соединен с анодом тиристора 18 и со своими выводами переменного тока выпрямителя 7.
Обратимый электрический преобразователь может быть снабжен тремя анодными цепочками 21, 22, 23, каждая из которых состоит из последовательно и согласованно соединенных диода 16 и транзистора 17, и антипараллельно включенным с ними тиристором 18 и тремя катодными цепочками 24, 25, 26, каждая из которых состоит из выпрямительного диода 11, шунтированного транзистором 12 и подключенныого антипаралельно (Фиг.2). Катод диода 11 и коллектор транзистора 12 каждой катодной цепи 24, 25, 26 соединены с плюсовой шиной постоянного тока 20 обратимого преобразователя частоты, а анод диода 11 и эммитер транзистора 12 каждой катодной цепи соединены со своим выводом переменного тока выпрямителя 7. К этому же узлу подключены анод диода 16 и катод тиристора 18 каждой анодной цепи 21, 22, 23, а катод диода 16 анодной цепи 21, 22, 23 соединен с коллектором транзистора 17, эммитер которого соединен с анодом тиристора 18 и с минусовой шиной постоянного тока 19 обратимого преобразователя частоты.
Обратимый электрический преобразователь может быть снабжен тремя анодными 21, 22, 23 и тремя катодными 13, 14, 15 цепочками, каждая из которых состоит из последовательно и согласованно соединенных диода 16 и транзистора 17, и антипараллельно включенным с ними тиристором 18 согласно Фиг.3. Анод диода 16 и катод тиристора 18 каждой катодной цепи 13, 14, 15 соединены с плюсовой шиной постоянного тока 20 обратимого преобразователя частоты, а катод диода 16 соединен с коллектором транзистора 17, эммитер которого соединен с анодом тиристора 18 каждой катодной цепи 13, 14, 15, и соединены со своим выводом переменного тока выпрямителя 7. К этому же узлу подключены анод диода 16 и катод тиристора 18 каждой анодной цепи 21, 22, 23, а катод диода 16 анодной цепи соединен с коллектором транзистора 17, эммитер которого соединен с анодом тиристора 18 и с минусовой шиной постоянного тока 19 обратимого преобразователя частоты.
Режимы работы обратимого преобразователя частоты, а верней его входной части, можно разделить на режим работы - при напряжении в звене постоянного тока ниже или равном уровню напряжения неуправляемого выпрямителя и режим работы - при напряжении в звене постоянного тока выше напряжения неуправляемого выпрямителя. Суть схемной реализации активного выпрямителя 5 заключается в реализации классического активного выпрямителя, как и в указанном прототипе, но с управляемой выпрямительной частью схемы, выполненной на полууправляемых ключах - тиристорах 18. При этом для корректной работы такого выпрямителя последовательно и согласованно с транзистором 17 необходимо установить диод 16. Такое схемное решение обосновано тем, что транзисторы 17 не держат обратно приложенного напряжения.
Рассмотрим режим работы обратимого преобразователя частоты в режиме, когда требуемый уровень напряжения в звене постоянного тока должен быть в пределах от нуля до уровня напряжения, определяемого уровнем напряжения неуправляемого выпрямителя. В этом режиме управление уровнем напряжения в звене постоянного тока будет происходить посредством управления углом фазового управления тиристорами 18, катодных групп 13, 14, 15 для Фиг.1, или тиристоров 18 анодных групп 21, 22, 23 для Фиг.2, или тиристоров 18 анодных 21, 22, 23 и катодных 13, 14, 15 групп для Фиг.3.
При этом выпрямитель на Фиг.1 и Фиг.2 будет работать в режиме полууправляемого, а на Фиг.3 в режиме полностью управляемого; данные режимы отличаются формой или качеством выпрямленного напряжения.
Рассмотрим промежуток времени, когда потенциал фазы A более положителен, чем потенциал фазы В относительно фазы C (Фиг.3). При этом ток от источника будет протекать через фазу дросселя 6 от фазы A, тиристор 18 катодной цепи 15 в нагрузку (заряд конденсатора 4 и нагрузка инвертора 2) и через тиристор 18 анодной цепи 21 в фазу C дросселя и так далее в остальные промежутки времени при различном сочетании уровней напряжении фаз A, B, C, при этом используя фазовый метод управления, при котором можно осуществлять регулирование напряжения в звене постоянного тока обратимого преобразователя частоты. При таком режиме работы ток, потребляемый из питающей сети, будет сглаживаться посредством используемого входного дросселя 6. Следует отметить, что амплитуда выходного напряжения инвертора 2 будет определяться уровнем напряжения в звене постоянного тока (напряжением на конденсаторе 4) обратимого преобразователя частоты и для стационарных режимов работы может быть изменена в достаточно широком диапазоне. Искажения, вызванные работой тиристорного управляемого выпрямителя, будут сглаживаться посредством входного дросселя 6 и, как правило, при низком напряжении в звене постоянного тока преобразователя частоты такие режимы сопровождаются незначительным потреблением мощности из питающей сети.
Рассмотрим режим работы обратимого преобразователя частоты в режиме, когда требуемый уровень напряжения в звене постоянного тока должен быть выше уровня напряжения, определяемого неуправляемым выпрямителем. В этом режиме управление уровнем напряжения в звене постоянного тока будет происходить посредством управления скважностью и фазой открытия транзисторов 17 анодных 21, 22, 23 и катодных 13, 14, 15 групп относительно фазы напряжения источника питания. Рассмотрим промежуток времени, когда потенциал фазы A более положителен, чем потенциал фазы B относительно фазы C (Фиг.3). Принцип работы активного выпрямителя 5 заключается в том, что источник питания закорачивается через фазу A дросселя 6, полностью и всегда открытый для данного режима тиристор 18 катодной группы 15, диод 16 и транзистор 17 катодной группы 13 и фазу C дросселя 6, в результате чего происходит накопление энергии в двух фазах дросселя 6. При этом ток, протекающий через дроссель 6 и силовые ключи катодных групп 15 и 13, не превышает допустимый установленный ток силовых ключей выпрямителя. После чего дроссель 6 раскорачивается посредством закрытия транзистора 17 катодной группы 13. В результате чего ток, протекающий через дроссель 6, будет замыкаться по цепи фаза A дросселя 6, тиристор 18 катодной группы 15, накопительный конденсатор 4 и часть тока при работе инвертора 2 в нагрузку полностью и всегда открытый тиристор 18 анодной группы 21 и фазу C дросселя 6.
Коэффициент мощности, потребляемой преобразователем, будет определяться напряжением, формируемым транзисторами 17 анодных 21, 22, 23 и катодных 13, 14, 15 групп, между дросселем 6 и силовыми ключами выпрямителя 5, формируя тем самым фазу и уровень напряжения на дросселе 6. При этом фаза тока, потребляемого из сети или тока через дроссель 6, четко связана с фазой формируемого напряжения на дросселе 6.
Таким образом, предлагаемое устройство, состоящее из минимального числа элементов, позволяет изменять амплитуду напряжения на выходе преобразователя частоты как выше, так и ниже амплитуды напряжения на его входе для стационарных режимов его работы, что значительно расширяет его функциональные возможности.