Трехфазный статический преобразователь частоты с непосредственной связью
THREE-PHASE STATIC FREQUENCY CONVERTER WITH DIRECT COUPLING

Изобретение относится к электротехнике, в частности к трехфазным статическим преобразователям переменного напряжения на входе в переменное напряжение на выходе для изменения частоты без промежуточного преобразования и может быть использовано для преобразования переменного напряжения низкой частоты в переменное напряжение высокой частоты.
Известны трехфазные статические преобразователи, преобразующие постоянное напряжение на входе в трехфазное переменное напряжение на выходе (Глазенко Т.А., Гончаренко Р.Б. Полупроводниковые преобразователи частоты в электроприводах. Энергия, Л., 1969).
Недостатком известных трехфазных преобразователей является невозможность преобразования переменного напряжения низкой частоты на входе в переменное напряжение высокой частоты на выходе без промежуточного преобразования.
Известен однофазный статический преобразователь переменного напряжения в переменное с непосредственной связью (патент на изобретение RU 2655674 H02M 5/02, H02M 5/04, 2018), принятый по совокупности существенных признаков в качестве ближайшего аналога. В известном преобразователе частоты, содержащем четыре полупроводниковых ключа, два из которых соединены с одним полюсом источника напряжения, а два других с другим полюсом источника напряжения, блок управления ключами, трансформатор напряжения, содержащий первичную обмотку и вторичную обмотку. Первичная обмотка трансформатора выполнена с тремя выводами, делящими ее на четыре секции с одинаковым числом витков. Начало первичной обмотки соединено с концом первичной обмотки, два полупроводниковых ключа от одного полюса источника напряжения соединены с первым и третьим выводами первичной обмотки, а два других полупроводниковых ключа от другого полюса источника напряжения соединены с началом и вторым выводом первичной обмотки. Частота переключения ключей, соединенных с одним полюсом источника напряжения, в два раза выше частоты переключения ключей, соединенных с другим источником напряжения.
Недостатком известного преобразователя является невозможность преобразования системы трехфазного переменного напряжения низкой частоты в систему трехфазных выходных напряжений высокой частоты.
Техническим результатом заявляемого изобретения является возможность преобразования системы трехфазного переменного напряжения низкой частоты в систему трехфазного переменного напряжения высокой частоты без промежуточного преобразования.
А
В
С
А
В
В
С
С
А
Технический результат достигается тем, что в трехфазном статическом преобразователе частоты с непосредственной связью, содержащем блок управления, трансформатор напряжения, полупроводниковые ключи, согласно изобретению, трансформатор включает три фазы А, В, С с первичными и вторичными обмотками, первичная обмотка каждой фазы выполнена с тремя дополнительными выводами, делящими ее на четыре секции с одинаковым числом витков, причем начало первичной обмотки каждой фазы соединено с концом первичной обмотки одноименной фазы, полупроводниковые ключи связаны с трехфазным источником питания, каждая фаза источника питания Е, Е, Е, связана с четырьмя полупроводниковыми ключами, при этом два ключа, связанных с фазой Е источника питания, связаны с первым и третьим выводами первичной обмотки фазы А трансформатора, а два ключа, связанных с фазой Е источника питания, связаны со вторым и четвертым выводами первичной обмотки фазы А трансформатора, два ключа, связанных с фазой Е источника питания, связаны с первым и третьим выводами первичной обмотки фазы В трансформатора, а два ключа, связанных с фазой Е источника питания, связаны со вторым и четвертым выводами первичной обмотки фазы В трансформатора, два ключа, связанных с фазой Е источника питания, связаны с первым и третьим выводами первичной обмотки фазы С трансформатора, а два ключа, связанных с фазой Е источника питания, связаны со вторым и четвертым выводами первичной обмотки фазы С трансформатора, при этом частота переключения каждого из ключей, связанных с первыми выводами первичных обмоток фаз трансформатора и частота переключения каждого из ключей, связанных с третьими выводами первичных обмоток фаз трансформатора в два раза отличается от частоты переключения каждого из ключей, связанных со вторыми выводами первичных обмоток фаз трансформатора и частоты переключения каждого из ключей, связанных с четвертыми выводами первичных обмоток фаз трансформатора, угол сдвига между началом включения ключей, переключающихся с одинаковой частотой, составляет одну третью периода переключения одного ключа, переключающегося с этой частотой.
А
В
С
Технический результат обеспечивается за счет схемы подключения полупроводниковых ключей к фазам источника питания Е, Е, Е и первичным обмоткам фаз А, В, С трансформатора напряжения, разделенным тремя дополнительными выводами на четыре секции с равным количеством витков, и алгоритма переключения ключей, задаваемого блоком управления, а также за счет соединения начала первичной обмотки трансформатора напряжения в каждой фазе с ее концом.
Соединение начала первичной обмотки трансформатора напряжения в каждой фазе с ее концом позволяет исключить возникновение короткого замыкания в момент переключения полупроводниковых ключей.
Задаваемый блоком управления алгоритм переключения ключей, при котором частота переключения одной пары ключей, подключающихся к первому и третьему выводам первичной обмотки в каждой фазе трансформатора напряжения, в два раза выше частоты переключения другой пары ключей, подключающихся ко второму и четвертому выводам первичной обмотки в каждой фазе трансформатора напряжения, кроме того, включение полупроводниковых ключей, переключающихся с одинаковой частотой, с углом сдвига, составляющим 1/3 соответствующего периода переключения одного ключа, обеспечивает постоянно замкнутую электрическую цепь и круговое вращающееся электрическое поле высокой частоты. Таким образом, на выходе обеспечивается трехфазное переменное напряжение высокой частоты без промежуточного преобразования.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого преобразователя.
На фиг. 2 приведен вид напряжения на обмотках трансформатора и нагрузках, соответствующий алгоритму работы ключей, задаваемому блоком управления, с частотой источника питания ниже частоты преобразователя.
на
нв
нс
Трехфазный статический преобразователь частоты с непосредственной связью содержит блок управления БУ, трехфазный трансформатор, включающий первичную и вторичную обмотки в каждой фазе А, В, С и полупроводниковые ключи, связанные с трехфазным источником питания: четыре полупроводниковых ключа в каждой фазе: 1А, 2А, 3А, и 4А; 1В, 2В, 3В, и 4В; 1С, 2С, 3С и 4С. Первичная обмотка каждой фазы трансформатора напряжения включает выводы 1, 2, 3, 4. Выводы 2, 3, 4 делят каждую первичную обмотку на четыре секции a, b, c, d, имеющие одинаковое число витков. Причем начало первичной обмотки соединено с концом первичной обмотки одноименной фазы. К вторичным обмоткам трансформатора подключена нагрузка Z, Z. Z.
А
В
С
А
В
С
Каждый из полупроводниковых ключей подключен одним полюсом к одной из фаз Е, Е, Е источника питания, а другим полюсом подключается к выводу одной из первичных обмоток А, В, С трансформатора (фиг. 1). На приведенной на фиг. 1 схеме полупроводниковые ключи 1А, 3А, 2С, 4С одним полюсом соединены с фазой Е источника питания; ключи 1В, 3В, 2А, 4А одним полюсом соединены с фазой Е источника питания; ключи 1С, 3С, 2А, 4А одним полюсом соединены с фазой Е источника питания. При этом ключи 1А, 2А, 3А, 4А вторым полюсом подключаются, соответственно, к выводам 1, 2, 3, 4 первичной обмотки фазы А трансформатора, ключи 1В, 2В, 3В, 4В вторым полюсом подключаются, соответственно, к выводам 1, 2, 3, 4 первичной обмотки фазы В трансформатора, ключи 1С, 2С, 3С, 4С вторым полюсом подключаются, соответственно, к выводам 1, 2, 3, 4 первичной обмотки фазы С трансформатора.
1
2
1
2
1
1
2
2
Частота переключения ключей 1А и 3А, 1В и 3В, 1С и 3С, в два раза отличается от частоты переключения ключей 2А и 4А, 2В и 4В, 3С и 4С соответственно. В приведенном на фиг. 2 примере алгоритма переключения ключей, ключи, подключающиеся к 1 и 3 выводам первичных обмоток фаз А, В, С трансформатора переключаются с большей в два раза частотой по сравнению с ключами, подключающимися к выводам 2 и 4 первичных обмоток трансформатора. Однако возможен и обратный вариант, когда пара ключей, подключенных к выводам 2 и 4 каждой из первичных обмоток трансформатора, переключается в два раза чаще, чем другая пара. Каждый ключ, переключающийся с высокой частотой имеет период переключения Т, а каждый ключ, переключающийся с низкой частотой имеет период переключения Т (фиг. 2). В соответствии с приведенным на фиг. 2 примером ключи 1А и 3А, 1В и 3В, 1С и 3С переключаются с периодом Т, а ключи 2А и 4А, 2В и 4В; 2С и 4С переключаются с периодом Т. При этом угол сдвига ϕ между началом включения ключей 1А, 1В, 1С, 3А, 3В, 3С составляет одну третью периода Т, а угол сдвига ϕ между началом включения ключей 2А, 2В, 2С, 4А, 4В, 4С составляет одну третью периода Т.
Блок управления БУ трехфазного статического преобразователя частоты с непосредственной связью содержит генератор, два последовательно соединенных синхронных триггера и регистры, позволяющие формировать необходимые сигналы для осуществления заданного алгоритма переключения ключей (фиг. 2).
Преобразователь работает следующим образом.
Блок управления задает алгоритм работы ключей, показанный на фиг. 2.
Рабочий процесс преобразователя состоит из рабочих периодов, когда одни ключи разомкнуты, а другие замкнуты.
Пример работы преобразователя.
Пусть в исходный момент времени блоком управления БУ сформирован сигнал на замыкание ключей 1А и 2А. Ключи 3А, 4А, 2В, 3В, 1С, 4С - разомкнуты, ключи 1В, 4В, 2С, 3С - замкнуты. Тогда:
ав
на
- к секции “a” первичной обмотки фазы А приложено линейное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза А источника питания, ключ 1А, секция “a” первичной обмотки фазы А, ключ 2А, фаза В источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы А и нагрузке фазы А - Z формируется положительное напряжение;
вс
нв
- к секции “d” первичной обмотки фазы В приложено линейное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза В источника питания, ключ 1В, секция “d” первичной обмотки фазы В, ключ 4В, фаза С источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы В и нагрузке фазы В - Z формируется положительное напряжение;
са
нс
- к секции “b ” первичной обмотки фазы С приложено линейное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза С источника питания, ключ 3С, секция “b” первичной обмотки фазы С, ключ 4С, фаза А источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы С и нагрузке фазы C - Z формируется положительное напряжение.
1
По истечении времени, равного 1/6 периода работы ключей 1А, 3А, 1В, 3В, 1С, 3С, в момент времени t, блоком управления формируются сигналы на одновременное размыкание ключа 1B и замыкание ключа 3B. Ключи 3А, 4А, 1В. 2В, 1С, 4C - разомкнуты, ключи 1А, 2А, 3В, 4В, 2C,3С - замкнуты. Тогда:
ав
на
- к секции “a” первичной обмотки фазы А приложено линейное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза А источника питания, ключ 1А, секция “a” первичной обмотки фазы А, ключ 2А, фаза В источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы А и нагрузке фазы А - Z формируется положительное напряжение;
вс
нв
- к секции “c” первичной обмотки фазы В приложено линейное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза В источника питания, ключ 3В, секция “c” первичной обмотки фазы В, ключ 4В, фаза С источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы В и нагрузке фазы В - Z формируется положительное напряжение;
са
нс
- к секции “c” первичной обмотки фазы С приложено линейное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза С источника питания, ключ 3С, секция “c” первичной обмотки фазы С, ключ 4С, фаза А источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы С и нагрузке фазы С - Z формируется положительное напряжение.
2
По истечении времени равного 1/6 периода работы ключей 1А, 3А, 1В, 3В, 1С, 3С, в момент времени t, блоком управления формируются сигналы на одновременное размыкание ключей 2C, 3C и замыкание ключей 1C, 4C. Ключи 3А, 4А, 1B, 2B - разомкнуты, ключи 1А, 2А, 3B, 4B - замкнуты. Тогда:
ав
на
- к секции “a” первичной обмотки фазы А приложено линейное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза А источника питания, ключ 1А, секция “a” первичной обмотки фазы А, ключ 2А, фаза В источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы А и нагрузке фазы А - Z формируется положительное напряжение;
вс
нв
- к секции “c” первичной обмотки фазы В приложено линейное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза В источника питания, ключ 3В, секция “c” первичной обмотки фазы В, ключ 4В, фаза С источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы В и нагрузке фазы В - Z формируется положительное напряжение;
са
нс
- к секции “d” первичной обмотки фазы С приложено линейное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза С источника питания, ключ 1С, секция “d” первичной обмотки фазы С, ключ 4С, фаза А источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы С и нагрузке фазы С - Z формируется отрицательное напряжение.
3,
По истечении времени равного 1/6 периода работы ключей 1А, 3А, 1В, 3В, 1С, 3С, момент времени t блоком управления формируются сигналы на одновременное размыкание ключа 1А и замыкание ключа 3А. Ключи 4А, 1В, 2В, 2С, 3С - разомкнуты, ключи 2А, 3В, 4В, 1С, 4С - замкнуты. Тогда:
ав
на
- к секции “b” первичной обмотки фазы А приложено линейное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза А источника питания, ключ 3А, секция “b” первичной обмотки фазы А, ключ 2А, фаза В источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы А и нагрузке фазы А - Z формируется отрицательное напряжение;
вс
нв
- к секции “c” первичной обмотки фазы В приложено линейное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза В источника питания, ключ 3В, секция “c” первичной обмотки фазы В, ключ 4В, фаза С источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы В и нагрузке фазы В - Z формируется положительное напряжение;
са
нс
- к секции “d” первичной обмотки фазы С приложено линейное напряжение Е и ток протекает по цепи: фаза С источника питания, ключ 1С, секция “d” первичной обмотки трансформатора фазы С, ключ 4С, фаза А источника питания. При этом на вторичной обмотке трансформатора фазы С и нагрузке фазы С - Z  формируется отрицательное напряжение.
1
1
2
2
Дальнейшее переключение ключей происходит в соответствии с алгоритмом, приведенным на фиг. 2, согласно которому ключи 1А, 1В, 1С, 3А, 3В, 3С переключаются в два раза чаще, чем ключи 2А, 2В, 2С, 4А, 4В, 4С, угол сдвига ϕ между началом включения ключей 1А, 1В, 1С, 3А, 3В, 3С составляет одну третью периода Т переключения одного ключа, переключающегося с большей частотой, а угол сдвига ϕ между началом включения ключей 2А, 2В, 2С, 4А, 4В, 4С составляет одну третью периода Т переключения одного ключа, переключающегося с меньшей частотой.
За счет приведенного алгоритма переключения ключей на выходных обмотках трансформаторов формируется трехфазная система напряжений высокой частоты, в которой выходные напряжения фаз А, В, С сдвинуты между собой на 120 градусов, что позволяет создавать круговое вращающееся поле высокой частоты.
Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает возможность преобразования трехфазного переменного напряжения низкой частоты в трехфазное переменное напряжение высокой частоты без промежуточного преобразования.