СПОСОБ ДВУХКАНАЛЬНОГО НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ
METHOD OF TWO-CHANNEL DIRECT CONVERSION OF FREQUENCY

Область техники, к которой относится изобретение. Изобретение относится к преобразовательной технике, и может быть использовано в регулируемом электроприводе переменного тока, а также в промышленных установках специального назначения, например в металлургии.
Уровень техники. Из уровня техники известен способ преобразования напряжения гребного электропривода и гребной электропривод для его осуществления [патент РФ №2489311], имеющий в своем составе источник напряжения, согласующий трансформатор, преобразователь частоты со звеном постоянного тока и с инвертором, гребной электродвигатель и блок управления преобразователем частоты. Способ преобразования напряжений гребного электропривода основан на последовательном согласовании напряжения питания, выпрямлении согласованного и инвертировании выпрямленного напряжений, при этом задаются допустимые значения напряжений, токов и скоростей их изменения. Преобразуют напряжение питания (до начала его подключения), подключают преобразуемое (уменьшенное до допустимого значения) напряжение питания, управляют увеличением напряжения питания, измеряют преобразуемые напряжения и токи фаз, вычисляют скорости их изменения как производные напряжений и токов по времени, регулируют скорости этих изменений по результатам выполненных измерений и вычислений и в соответствии с заданными допустимыми значениями напряжений, токов и скоростей их изменения отключают преобразование напряжения питания при достижении им заданного значения, инвертируют выпрямленное напряжение и управляют гребным электроприводом в соответствии с заложенным алгоритмом.
К недостаткам такого решения можно отнести наличие сглаживающего конденсатора большой емкости в звене постоянного тока, что приводит к снижению надежности и ресурса силовой части схемы. Работающий от звена постоянного тока инвертор работает в импульсном режиме, что приводит к снижению срока службы электродвигателя, а также повышенному нагреву. Промежуточное преобразование электроэнергии (выпрямление), приводит к дополнительным потерям и снижает коэффициент полезного действия.
Из уровня техники также известен способ преобразования частоты [патент РФ на изобретение №2639048], который основан на питании согласующего трансформатора от многофазной сети, задании уровней напряжений вторичных обмоток (основной и дополнительной) в пропорции на основе натурального числа е, снятии напряжений с вторичных обмоток и их коммутации при управлении в соответствии с заложенным алгоритмом преобразования. Полученные в процессе коммутации напряжения имеют пониженную частоту и являются взаимно обратными, причем восходящим фронтам одного напряжения соответствуют нисходящие фронты другого. Далее полученные после коммутации напряжения суммируют.
К недостаткам такого решения относится использование соотношения питающих напряжений (а значит, и соотношения числа витков в обмотках питающего источника - трансформатора или генератора) на основе дробной пропорции основания натурального логарифма (число е ~ 2,72), соблюдение такого соотношения приводит к усложнению технологии сборки обмоток, а в случае мощных источников электроэнергии может быть нереализуемо. Также недостатком является необходимость задания дробного значения пропорции суммируемых напряжений для сохранения формы выходного напряжения при изменении его частоты, и требует раздельного регулирования уровня питающих напряжений, что ведет к усложнению схемы преобразования и неприемлемо для некоторых областей применения.
Данное техническое решение является наиболее близким по своей сущности прототипом.
Раскрытие изобретения. В основе современного электропривода исполнительных механизмов и систем электродвижения лежит применение электродвигателей переменного тока, имеющих преимущества по сравнению с двигателями постоянного тока. В их числе меньшие масса и габариты из-за отсутствия коллектора с щеточным аппаратом, а также высокая надежность и длительность периодов работы без обслуживания. До сих пор асинхронный двигатель является самым массовым и надежным типом электродвигателя. Существует два основных недостатка асинхронного двигателя - это невозможность простой регулировки скорости вращения ротора, и очень большой пусковой ток, который в пять-семь раз превышает номинальный. Для этих целей (плавный запуск и регулировка оборотов) применяют полупроводниковые преобразователи частоты. Частотный преобразователь снижает пусковые токи в 4-5 раз. Он обеспечивает плавный пуск асинхронного двигателя и осуществляет управление приводом по заданному закону управления, обеспечивающему требуемый режим [1].
Простейшим случаем преобразования частоты являются автономные инверторы с широтно-импульсной модуляцией, имеющие прямоугольную форму выходного напряжения [2, 3]. Отличием преобразователей с широтно-импульсной модуляцией является наличие звена постоянного тока, то есть промежуточного преобразования электроэнергии при питании от трехфазных сетей переменного тока. Для улучшения их характеристик используют сдвиг уровней питающих напряжений в звене постоянного тока (многоуровневые преобразователи) и повышение частоты коммутации полупроводниковых ключей (транзисторов). Оба этих способа улучшения характеристик имеют свои недостатки. Так, многоуровневые преобразователи более сложны и имеют ухудшенную надежность по причине применения конденсаторов большой емкости. Увеличение частоты коммутации полупроводниковых ключей коммутатора ведет к росту потерь, прямо пропорциональных частоте переключения и увеличивает уровнь радиопомех [3, 4, 5].
В последнее десятилетие полупроводниковой промышленностью освоено производство мощных полностью управляемых ключей с высокой частотой коммутации, что и дало толчок к развитию схемотехники полупроводниковых преобразователей, и поиску новых способов управления коммутаторами, входящими в их состав.
Появление новых способов управления позволило создать выпрямители и автономные инверторы с улучшенными характеристиками -повышенным коэффициентом мощности, качеством выходного напряжения и тока, сниженными массой и габаритами. Одновременно с этим произошло повышение частоты коммутации ключей, которая во много раз превышает частоту питающей сети, и еще больше - по сравнению с классическими преобразователями.
Это ведет к повышенному тепловыделению ключей, ухудшению электромагнитной совместимости и снижению надежности их работы -поскольку процесс коммутации является самым напряженным режимом работы, сопровождаемым кроме того, выбросами напряжения при разрыве кривой тока. Главной технической проблемой современной силовой преобразовательной техники можно признать процесс коммутации тока, и снижение коммутационных выбросов и потерь. Основную задачу техники можно сформулировать как обеспечение высокого качества напряжения при минимальной скорости коммутации полупроводниковых ключей. Эта задача является противоречивой, и не может быть решена применением известных в настоящее время преобразователей с широтно-импульсной коммутацией.
Как правило, в существующих полупроводниковых преобразователях, в состав конструкции входят силовые многофазные трансформаторы, применяемые главным образом для согласования напряжения питающей сети и гальванической развязки в случае использования нескольких вторичных обмоток. С помощью трансформаторов можно обеспечить гальванически развязанное питание нескольких полупроводниковых коммутаторов.
Также существует класс полупроводниковых преобразователей переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты без промежуточного звена постоянного тока. Подобные устройства получили название непосредственных преобразователей частоты (НПЧ). Принципиальная схема трехфазного непосредственного преобразователя частоты изображена на фигуре 1. Такой непосредственный преобразователь позволяет переключать фазы нагрузки между фазами питающей сети по заданному алгоритму преобразования.
Коммутатор преобразователя частоты управляется по заранее заданному, циклически повторяющемуся алгоритму управления. На фигуре 2 показана векторная диаграмма работы алгоритма преобразования частоты, обеспечивающая управление полупроводниковыми ключами в строго определенной, заранее заданной последовательности чередования фаз питающей сети, определяемой прямой последовательностью А-В-С-А-В - С (и т.д.). Такой алгоритм описывается разностью частот ( - Q), где  -частота питающего источника, Ω - частота циклов переключения.
На фигуре 3 показана векторная диаграмма работы алгоритма преобразования частоты, обеспечивающая управление полупроводниковыми ключами в определенной, заранее заданной последовательности чередования фаз питающей сети, определяемой обратной последовательностью А - С - В - А - С - В (и т.д.). Такой алгоритм описывается суммой частот (+Ω), где  - частота питающего источника, Ω - частота циклов переключения.
Такие алгоритмы могут быть реализованы при различном числе фаз питающей сети, начиная с трех. На фигуре 4 показана схема трехфазного непосредственного преобразователя частоты, с полностью управляемыми двунаправленными ключами в коммутаторе.
Такое представление трехфазного коммутатора, как матрицы входящих и выходящих фаз, а также ключей между ними, позволило назвать такие коммутаторы матричными, а полупроводниковые преобразователи с ними -преобразователями матричного типа.
На фигуре 5 схема непосредственного преобразователя частоты с шестифазным матричным коммутатором. Очевидно, что увеличение числа фаз входного напряжения позволяет не только улучшить качество выходного напряжения (число ступеней), но и требует увеличенного числа ключей.
На фигуре 6 представлена осциллограмма выходного напряжения непосредственного преобразования частоты по алгоритму с разностью частот, описываемого зависимостью ( - Ω), где  - частота питающего источника, Ω- частота циклов переключения.
На фигуре 7 представлена осциллограмма выходного напряжения непосредственного преобразования частоты по алгоритму суммы частот, описываемого зависимостью (+Ω), где  - частота питающего источника, Ω - частота циклов переключения.
На фигуре 8 представлена осциллограмма выходного напряжения предлагаемого способа непосредственного преобразования частоты, при котором суммируются в равной пропорции выходные напряжения каналов, работающих по алгоритмам суммирования или разности частот.
При сравнении осциллограмм на фигурах 6 и 7, а также выходного напряжения на фигуре 8, становится очевидным принцип работы заявляемого способа двухканального преобразования частоты. В таком случае выходное напряжение формируется из соответствующих фрагментов двух каналов, при этом восходящий фронт напряжения коменсируется нисходящим фронтом. Это обеспечивает максимальное качество выходного напряжения.
Каждому фрагменту на выходе канала напряжения соответствует фрагмент другого канала с обратным к нему напряжением, таким образом, что восходящему фронту соответствует нисходящий фронт другого.
Подобное решение используется в основном прототипе, где было реализовано суммирование при пропорции питающих напряжений двух каналов, равному числу е=2,72 (основание натурального алгоритма), что трудновыполнимо в мощных генераторах и трансформаторах, поскольку при малом числе витков сложно обеспечить точную пропорцию напряжений.
В решении-прототипе был использован алгоритм преобразования, при соотношении питающих напряжений в пропорции числа е (1 к 2,72). Этим и объясняется пропорция напряжений каналов, имеющая дробное значение, и требующая раздельного регулирования уровней питающих напряжений.
В таблице 1 описана очередность коммутации полупроводниковых ключей непосредственного преобразователя частоты, представленного на фигуре 1, для алгоритма с разностью частот, как изображено на фигуре 6 (соответствует включенному состоянию ключа).
В таблице 2 описана очередность коммутации полупроводниковых ключей для случая алгоритма с суммой частот, как изображено на фигуре 7 ("+" соответствует включенному состоянию ключа).
На фигуре 9 представлена функциональная схема электропривода, с преобразователем, реализующим предлагаемый способ преобразования. Из схемы видно наличие раздельных (гальванически развязанных) источников переменного напряжения, подключенных к коммутаторам, соединяемым последовательно. Выход включенных последовательно коммутаторов питает электродвигатель переменного тока.
На фигуре 10 изображена принципиальная схема двухканального непосредственного преобразователя частоты. Данная схема позволяет реализовать предлагаемый способ двухканального преобразования частоты. Очевидно, что последовательно включенные коммутаторы работают по заданным алгоритмам, получая питание от трансформаторов, причем пропорция соотношения питающих напряжений в такой схеме задается соотношением числа витков питающих обмоток.
Представленная на фигуре 10 схема представляет собой простейший случай, и в одноканальном виде известна из уровня техники, что гарантирует техническую реализуемость способа преобразования.
Особенностью предлагаемого решения также является введение фазового сдвига между питающими обмотками трансформаторов. Симметрия выходного напряжения, изображенного на фигуре 8, обеспечивается только при симметричном сдвиге питающих напряжений между каналами.
Для случая питания от трехфазной сети, симметрия суммарного выходного напряжения обеспечивается введением сдвига между каналами в 30 электрических градусов. При питании от шестифазной сети, симметрия выходного напряжения обеспечивается введением сдвига между каналами в 15 электрических градусов.
Поддержание качества выходного напряжения при равной пропорции входных напряжений обеспечивается путем регулирования длительности периодов коммутации при изменении частоты на выходе преобразователя, чем обеспечивается наилучшее качество и симметричность суммарного выходного напряжения.
Отличие предлагаемого способа преобразования частоты от прототипа заключается в задании пропорции питающих напряжений при формировании выходного напряжения каналов. В предложенном решении используются два канала преобразования частоты, которые работают по алгоритмам с прямой и обратной последовательностью, и их суммирование в равной пропорции. Кроме того, для обеспечения совпадения фрагментов напряжения (периодов коммутации) каналов, используется симметричный фазовый сдвиг питающих напряжений двух каналов, что позволило обеспечить полную симметрию и сходимость функции суммы напряжений двух каналов. Это в результате и обеспечивает формирование симметричного выходного напряжения.
Заявляемый способ является новым решением, имеющим три принципиальных отличия от прототипа:
- задается равное соотношение питающих напряжений двух каналов между собой;
- задается симметричный фазовый сдвиг между питающими напряжениями двух каналов;
- регулируется длительность периодов коммутации для лучшего качества выходного напряжения при равной пропорции входных напряжений.
Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - значительному упрощению конструкции питающих источников (трансформаторов, генераторов) за счет обеспечения равного числа витков обмоток.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 изображена принципиальная схема непосредственного преобразователя частоты с трехфазным коммутатором. На фигуре 2 изображена векторная диаграмма способа непосредственного преобразования частоты по алгоритму с разностью частот.На фигуре 3 изображена векторная диаграмма способа непосредственного преобразования частоты по алгоритму с суммой частот. На фигуре 4 изображена принципиальная схема непосредственного преобразователя частоты с трехфазным матричным коммутатором. На фигуре 5 изображена принципиальная схема непосредственного преобразователя частоты с шестифазным матричным коммутатором. На фигуре 6 изображена осциллограмма напряжения непосредственного преобразования частоты по алгоритму с разностью частот. На фигуре 7 изображена осциллограмма напряжения непосредственного преобразования частоты по алгоритму с суммой частот. На фигуре 8 изображена осциллограмма выходного напряжения предлагаемого двухканального непосредственного преобразователя частоты. На фигуре 9 изображена функциональная схема электропривода на основе двухканального непосредственного преобразователя частоты. Здесь 1 - источник электропитания, 2 -коммутатор, 3 - электродвигатель. На фигуре 10 изображена принципиальная схема двухканального непосредственного преобразователя частоты. Здесь 1 - источник электропитания, 2 - коммутатор, 3 - электродвигатель.
Список использованной литературы.
1. Новиков Г.В. Частотное управление асинхронными электродвигателями. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. - 498 с.
2. Карташов Р.П., А.К. Кулиш, Э.М. Чехет Тиристорные преобразователи частоты с искусственной коммутацией. / Киев: ТЕХНИКА, 1979. - стр. 152.
3. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.
4. Прошин И.А. Асинхронный электропривод с маловентильным непосредственным преобразователем частоты // диссертация. - Пенза: Изд-во Пензенского политехнического института, 1983. - 274 с.
5. Прошин И.А. Управление в системах с непосредственным преобразователями электрической энергии // диссертация. - Пенза: Изд-во Пензенского государственного университета, 2003. - 432 с.