ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к силовой преобразовательной технике и представляет собой полупроводниковый преобразователь, предназначенный для питания трехфазной промышленной нагрузки.
Уровень техники. Из уровня техники известен способ двухканального непосредственного преобразования частоты [патент РФ на изобретение №2691623], представляющий собой способ преобразования частоты, основанный на питании каждого из двух каналов от многофазной сети переменного тока, коммутировании питающих напряжений в каждом канале, причем один канал коммутирует с опережением, а другой канал - с отставанием от частоты питающего напряжения. Полученные выходные напряжения каналов суммируют, причем задают равными уровни питающих напряжений, а также их фазовый сдвиг, регулируют длительность периодов коммутации для изменения частоты.
К недостаткам этого решения можно отнести громоздкость и большое число полупроводниковых ключей в коммутаторе, описанном в материалах описания как устройство для реализации способа.
Также известна многофазная система электродвижения судов [патент РФ на полезную модель №185666], содержащая источник напряжения с двумя трехфазными обмотками, два трехфазных реверсивных полупроводниковых коммутатора, включаемых последовательно с отводами трехфазных обмоток, и электродвигатель переменного тока. Трехфазные обмотки выполняются по схеме "звезда" и имеют общую нейтраль, гребной электродвигатель выполняется с шестифазной обмоткой по схеме "звезда", фазы которой подключаются к выходам реверсивных полупроводниковых коммутаторов.
Данное решение принимается основным прототипом, наиболее близким по своей технической сущности.
Недостатком этого решения является необходимость использовать в качестве шестифазную нагрузку, что ограничивает область применения.
Раскрытие полезной модели. Из уровня техники известны различные варианты полупроводниковых преобразователей. Главной отличительной особенностью для всех преобразователей является наличие коммутатора на основе управляемых полупроводниковых ключей. Использование таких коммутаторов позволяет управлять напряжением на выходе преобразователя в соответствии с заданным алгоритмом.
При этом схемотехника преобразователей может быть различной, но любой полупроводниковый преобразователь частоты отличает работа по управляющим сигналам от системы управления, реализующей алгоритм преобразования частоты [1]. Таким образом, любой полупроводниковый преобразователь частоты является устройством, реализующим способ для преобразования частоты (то есть алгоритм управления ключами). Различают следующие типы преобразователей частоты: резонансные инверторы, инверторы ведомые сетью, автономные инверторы с широтно-импульсной модуляцией, а также непосредственные преобразователи частоты.
Первые три из перечисленных типов преобразователей используют промежуточное звено постоянного тока, что ведет к необходимости двойного преобразования энергии - сначала выпрямления напряжения питающей сети, и далее обратное преобразование (инвертирование) рода тока с заданной частотой и действующим значением напряжения.
Последний из перечисленных выше четырех типов полупроводниковых преобразователей - непосредственный преобразователь частоты, является прямым преобразователем без промежуточного звена постоянного тока. Это потенциально означает меньшие потери - как тепловые от протекания токов через открытые ключи, так и коммутационные на время переключения из закрытого в открытое состояние [1, 2].
Непосредственные преобразователи частоты давно известны из уровня техники, однако их повсеместное внедрение сдерживается рядом факторов - главным из которых является относительно невысокое качество напряжения. Ситуация переменилась с появлением алгоритмов (способов) двухканального непосредственного преобразования частоты, в том числе описанного в [3]. В основе такого способа лежит сложение напряжений каналов, и компенсации скорости нарастания выходного напряжения, таким образом, что выходное напряжение представляет собой гладкую функцию, приближенную по форме к синусоиде. Это дало возможность создать преобразователи, способные питать нагрузку синусоидальным напряжением, с низким содержанием высших гармонических составляющих и без наличия резких провалов или сбросов напряжения - как это свойственно автономным инверторам с широтно-импульсной модуляцией, которые требуют применения фильтров большой мощности на выходе для сглаживания формы напряжений.
На фигуре 1 представлен график выходного напряжения первого канала двухканального непосредственного преобразователя частоты. Видно, что выходное напряжение состоит из фрагментов напряжения фаз на входе при совпадении фронта полуволны выходного напряжения и составляющих его фрагментов коммутируемых фаз. Это означает, что восходящему фронту выходной полуволны соответствуют восходящие фрагменты напряжения, а нисходящему фронту выходной полуволны соответствуют нисходящие фрагменты напряжения. Такой алгоритм управления известен из литературы и называется "алгоритмом с разностью частот".
На фигуре 2 представлен график выходного напряжения второго из каналов двухканального непосредственного преобразователя частоты. Видно, что выходное напряжение состоит из фрагментов напряжения фаз на входе при различии фронта полуволны выходного напряжения и составляющих его фрагментов коммутируемых фаз. Это означает, что восходящему фронту выходной полуволны соответствуют нисходящие фрагменты напряжения, а нисходящему фронту выходной полуволны соответствуют восходящие фрагменты напряжения. Такой алгоритм управления известен из литературы и называется "алгоритмом с суммой частот".
В способе двухканального непосредственного преобразования частоты, описанного в [3], было предложено суммирование, каналов в пропорции 1:1, что позволило сформировать улучшенную форму выходного напряжения полупроводникового преобразователя, как это показано на фигуре 3.
Для реализации такого способа преобразования частоты - то есть алгоритма управления полупроводниковыми ключами, его реализующими, в материалах заявки [3] предлагается использовать классические трехфазные мосты - аналогичные применяемым в обычных автономных инверторах напряжения [1, 2]. В таком случае, выход такого моста является однофазным, а для формирования трехфазного выходного напряжения необходимо использовать 6 трехфазных мостов, содержащих 36 двунаправленных полупроводниковых составных ключа, или 73 транзистора типа IGBT.
Это является громоздким, и для применения в составе системы электродвижения в основном прототипе предлагаемого решения использован совмещенный с шестифазной нагрузкой преобразователь частоты, как это и показано на фигуре 4. Его отличительной чертой является объединение в общую точку нейтралей двух трехфазных обмоток питающего источника, а также использование шестифазного электродвигателя в качестве нагрузки, причем впервые в уровне техники для систем электродвижения судов было предложено использовать полноценную шестифазную обмотку двигателя, имеющую общую нейтраль. Выводы такого шестифазного электродвигателя разделяются на 2 комплекта по 3 фазы, и подключены к трехфазным выходам полупроводниковых коммутаторов. Таким образом, формируется замкнутый контур для протекания токов, причем взаимодействовать будут не только выходные фазы каждого полупроводникового коммутатора - но и фазы от разных полупроводниковых коммутаторов, с учетом напряжения на них и реализуя двухканальное преобразование частоты.
Однако применение такой системы требует использования нагрузки, имеющей шесть фаз на своем входе. Это актуально при использовании в системах электродвижения судов - где тенденция увеличения числа фаз просматривается на протяжении последних 20 лет, но не подходит для общепромышленного использования - где в качестве нагрузки выступают трехфазные потребители.
Отдельно стоит упомянуть, что выбранная за основной прототип многофазная система электродвижения судов отличается от простого полупроводникового преобразователя главным образом тем, что нагрузка является неотъемлемой частью системы, образуя вместе электротехнический комплекс - включающий себя и преобразование частоты, и ее потребление. Это не является препятствием для выбора его в качестве прототипа, так как схемотехника такой системы является прообразом предлагаемого решения.
Таким образом, предлагаемое решение является полупроводниковым преобразователем, не включающим нагрузку - благодаря чему может быть использовано в различных областях промышленности для питания разного рода потребителей и технологических процессов.
На фигуре 5 показана принципиальная электрическая схема прототипа - многофазной системы электродвижения судов. Из схемы становится видно, что входящий в состав системы генератор имеет две трехфазные обмотки, каждая из них подключена к полупроводниковому коммутатору, имеющему три фазы на входе и три фазы на выходе. Это позволяет получить три фазы на выходе каждого полупроводникового коммутатора, и этим уменьшить общее число ключей. Благодаря, тому что алгоритмы управления для каждой из фаз полупроводникового коммутатора будут идентичны и иметь задержку, соответствующую сдвигу между фазами напряжения - возможно получение сразу трех фаз на выходе каждого из них. Далее, как это показано на схеме, напряжения каналов подаются на фазы шестифазного электродвигателя, что позволяет реализовать схему соответственно фигуре 4.
На фигуре 6 показана принципиальная электрическая схема для предлагаемого решения. Вторичные обмотки трехфазного трансформатора, входящего в состав полупроводникового преобразователя имеют общую нейтраль, и подключены к полупроводниковым коммутаторам, имеющим три фазы на выходе каждый.
Выходы полупроводниковых коммутаторов подключаются к входам комплекта из трех однофазных трансформаторов, так что каждый из них одним выводом подключен к первому полупроводниковому коммутатору, а другим выводом - ко второму полупроводниковому коммутатору.
Таким образом, суммирование каналов в предлагаемом решении осуществляется прямой связью между фазами двух каналов, без протекания токов между токами фаз одного полупроводникового коммутатора, как это было реализовано в основном прототипе предлагаемого решения.
Благодаря этому в предлагаемом решении обеспечена реализация двухканального непосредственного преобразования в явном виде, с прямой зависимостью между выходными напряжениями каналов и напряжением, подаваемым на нагрузку.
Выходные напряжения фаз вторичных обмоток трансформатора переключаются трехфазным полупроводниковым образом циклическим образом, так что фрагменты каждой фазы на выходе полупроводникового коммутатора соответствуют состоянию смежных фаз со сдвигом 120 электрических градусов, соответствующим трехфазной системе.
Первичные обмотки однофазных трансформаторов, установленных на выходе и подключенных своими вторичными обмотками к нагрузке, дают возможность суммирования напряжений фаз двух каналов, причем всегда фаза первого полупроводникового коммутатора соединяется с определенной фазой второго полупроводникового коммутатора, одной и той же.
Это существенным образом отличает предлагаемое решение от его основного прототипа - поскольку в прототипе реализуется суммирование между всеми фазами, в соответствии с их разностью потенциалов.
Таким образом, в основном прототипе сочетание фаз между выходами двух полупроводниковых коммутаторов является неопределенным и зависит от протекающих токов и взаимных индуктивностей обмотки шестифазного электродвигателя, выступающего в качестве нагрузки.
В предлагаемом решении, существует явная взаимосвязь между фазами двух каналов, суммирование которых определяется подключением отводов однофазных трансформаторов.
Представленное решение является простым и потому промышленно применимо, обеспечивая питание трехфазной промышленной нагрузки.
Использованные базовые элементы - широко описаны в литературе и могут быть легко реализованы при современном уровне техники и выборе полупроводниковых ключей [1, 2, 3]. В качестве ключей наиболее подходят транзисторы типа IGBT, что уже является промышленным стандартом.
Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие принципиальные отличия от основного прототипа:
- выходы фаз полупроводниковых коммутаторов подключены к первичным обмоткам однофазных трансформаторов;
- один из отводов первичной обмотки каждого из однофазных трансформаторов подключен к первому полупроводниковому коммутатору, другой отвод - ко второму полупроводниковому коммутатору;
- вторичные обмотки однофазных трансформаторов объединены между собой по схеме "звезда".
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату - питанию трехфазной промышленной нагрузки.
В предлагаемом решении обеспечивается суммирование выходного напряжения двух трехфазных полупроводниковых коммутаторов через три однофазных трансформатора, выходные вторичные обмотки которых включены по схеме "звезда" и позволяют питать трехфазную нагрузку.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена осциллограмма напряжения непосредственного преобразования частоты по алгоритму с разностью частот. На фигуре 2 изображена осциллограмма напряжения непосредственного преобразования частоты по алгоритму с суммой частот. На фигуре 3 изображена осциллограмма выходного напряжения двухканального непосредственного преобразователя частоты. На фигуре 4 изображена упрощенная функциональная схема основного прототипа с двухканальным преобразованием. На фигуре 5 изображена принципиальная схема основного прототипа с двухканальным преобразованием частоты. Здесь 1 - электродвигатель, 2 - полупроводниковый коммутатор, 3 -трехфазный генератор. На фигуре 6 изображена принципиальная схема предлагаемого полупроводникового преобразователя. Здесь 2 - полупроводниковый коммутатор, 4 - трехфазный трансформатор, 5 - однофазный трансформатор. На фигуре 7 изображена функциональная схема системы, включающей предлагаемый полупроводниковый преобразователь. Здесь 6 - источник питания, 7 - полупроводниковый преобразователь, 8 -нагрузка.
Список использованной литературы.
1. Зиновьев Г.С. Силовая электроника. М.: Юрайт, 2012 667 с.
2. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.
3. Коптяев Е.Н., Попков Е.Н. Многофазная система электродвижения судов. Патент РФ на полезную модель №185666.