СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ
METHOD OF FREQUENCY CONVERSION

Область техники, к которой относится изобретение. Изобретение относится к силовой электротехнике и может быть использовано в преобразователях частоты для систем электродвижения судов переменного тока, а также в тяговом электроприводе.
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, а способ преобразования напряжений гребного электропривода основан на последовательном согласовании напряжения питания, выпрямлении согласованного и инвертировании выпрямленного напряжений, при этом задают 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, а также ухудшению габаритов. Работающий от звена постоянного тока инвертор работает в режиме прерывистых токов и характеризуется плохой электромагнитной совместимостью с судовым электрооборудованием. Питание асинхронного гребного электродвигателя напряжением с высокочастотной широтно-импульсной модуляцией приводит к увеличению уровня его вибрации и снижению срока службы обмоток, а также повышенному нагреву кабельных трасс.
Также известен способ понижения частоты [Атрашкевич П.В., Балашевич В.М., Коптяев Е.Н. "Непосредственный понижающий преобразователь частоты на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем" - интернет-журнал "Науковедение", №6, 2014 г], имеющий в своем составе трансформатор с вращающимся магнитным полем с трехфазной первичной и вторичной круговой обмоткой (выполненной по типу якорной обмотки машины постоянного тока), который является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к данному изобретению. К отводам круговой обмотки подключены полупроводниковые ключи, соединенные в многофазную реверсивную мостовую схему и управляемые системой импульсно-фазового управления, импульсы управления на выходе которой имеют нарастающее запаздывание во времени по отношению к фазе питающей сети, что и составляет суть способа преобразования частоты. В этом случае каждая следующая коммутация пары отводов круговой обмотки имеет период больший на определенное значение, определяемое коэффициентом преобразования частоты. Выходное напряжение, формируемое многофазным мостом, состоит из фронтов синусоиды напряжения входной частоты и представляет собой случай кусочно-синусоидальной модуляции, обеспечивая понижение частоты напряжения без промежуточного звена постоянного тока.
К недостаткам такого решения можно отнести коммутацию отводов круговой обмотки с разрывом кривой тока, что приводит к выбросам напряжения и ухудшению электромагнитной совместимости с другим электрооборудованием. Также, с ростом коэффициента понижения частоты, увеличивается разница напряжений между коммутируемыми отводами круговой обмотки, что ухудшает гармонический состав выходного напряжения. Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к предлагаемому изобретению.
Раскрытие изобретения. В настоящее время основным типом двигателя в гребном электроприводе судов является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. До сих пор он 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. Современная мировая тенденция - это применение плавного пуска двигателя при помощи регулируемого преобразователя частоты. Частотный преобразователь снижает пусковые токи в 4-5 раз. Он обеспечивает плавный пуск асинхронного двигателя и осуществляет управление приводом по заданной формуле соотношения напряжение/частота. Частотный преобразователь дает экономию по потреблению энергии до 50%.
Простейшим случаем преобразования частоты являются инверторы с прямоугольной формой выходного напряжения, в которых преобразование постоянного напряжения первичного источника в переменное достигается с помощью группы ключей, периодически коммутируемых таким образом, чтобы получить знакопеременное напряжение на зажимах нагрузки.
Инверторы с квазисинусоидальной формой выходного напряжения при помощи предварительного высокочастотного преобразования получают напряжение постоянного тока, значение которого близко к амплитудному значению синусоидального выходного напряжения инвертора. Затем это напряжение постоянного тока с помощью, как правило, мостового инвертора преобразуется в переменное напряжение по форме, близкое к синусоидальному, за счет применения соответствующих алгоритмов управления транзисторами этого мостового инвертора. Затем с помощью высокочастотного фильтра нижних частот выделяется синусоидальная составляющая выходного напряжения инвертора.
В последнее десятилетие полупроводниковой промышленностью освоено производство мощных полностью управляемых вентилей с высокой частотой коммутации, что дало толчок к развитию схемотехники импульсных статических преобразователей и поиску различных алгоритмов управления ими. Появление новых способов широтно-импульсного управления позволило создать выпрямители, инверторы и преобразователи частоты с улучшенными характеристиками - повышению коэффициента потребляемой мощности, качеством выходного напряжения и тока, сниженными массой и габаритами. Одновременно с этим произошло повышение частоты коммутации вентилей, которая во много раз превышает частоту питающей сети, и еще больше - по сравнению с классическими преобразователями. Это ведет к повышенному тепловыделению вентилей, 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. Форму выходного напряжения одного из таких преобразователей, реализующих многоуровневую широтно-импульсную модуляцию, можно увидеть на фигуре 1.
Как правило, в существующих статических преобразователях, трансформаторы применяются главным образом для согласования напряжения питающей сети с напряжением на выходе преобразователя. В мощных статических преобразователях частоты, чаще всего, используется звено постоянного тока, получаемое выпрямлением переменного напряжения сети, а для гальванической развязки и согласования напряжения используется силовой трансформатор.
Также существует класс преобразователей переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты. Подобные устройства однокаскадного преобразования частоты без промежуточного звена постоянного тока получили название преобразователей с непосредственной связью (непосредственных преобразователей частоты, НПЧ). В последние годы их стали называть иногда матричными преобразователями.
Основу любого НПЧ составляет многофазный реверсивный выпрямитель, поскольку он работает от источника переменного напряжения и может работать с любым из четырех возможных сочетаний полярностей выходного напряжения и тока. Трехфазные НПЧ образуются соединением трех многофазных реверсивных выпрямителей, при этом для соединения фаз нагрузки в звезду требуется наличие развязывающего трансформатора с отдельными вторичными обмотками.
В целом, непосредственные преобразователи можно охарактеризовать как случай кусочно-синусоидальной модуляции выходного напряжения, поскольку выходное напряжение формируется из фрагментов синусоиды с частотой питающей сети. При этом возможно получение фрагментов как спадающего, так и возрастающего фронта синусоиды.
Как правило, выходное напряжение формируется из соответствующих фрагментов (фигура 2), при этом восходящий фронт выходного напряжения состоит из аналогичных фрагментов питающего напряжения, а нисходящий фронт - из нисходящих фрагментов питающего напряжения. Это обеспечивает максимальное качество выходного напряжения.
Возможен альтернативный способ преобразования, когда выходное напряжение формируется из обратных фрагментов питающего напряжения (фигура 3). Данный вариант характеризуется худшим приближением формы выходного напряжения непосредственного преобразователя к синусоиде и максимальной амплитудой разрыва кривой функции напряжения. Из-за указанных недостатков обратный способ преобразования не применяется.
Очевидно, что обоим способам присущи следующие недостатки:
- разрыв кривой функции выходного напряжения, следовательно - невозможность естественной коммутации тока;
- качество выходного напряжения сильно зависит от числа фаз, из которых формируется выходное напряжение;
- значительная амплитуда разрывов кривой функции выходного напряжения приводит к появлению широкого спектра высших гармонических составляющих, в том числе неканонических.
Для улучшения технических характеристик непосредственных преобразователей частоты предлагается следующее: формируется два напряжения, в соответствии с числом фаз питающего напряжения, одно из них управляется по основному алгоритму, второе - по обратному алгоритму. Таким образом, каждому фрагменту на выходе основного канала напряжения соответствует фрагмент канала обратного напряжения, таким образом, что восходящему фронту одного канала напряжения соответствует нисходящий фронт другого, что лежит в основе заявляемого способа преобразования частоты. Это наглядно видно на фигуре 5, где также показан результат суммирования двух каналов напряжения. Точками на графике выходного напряжения отмечены моменты коммутации реверсивных многофазных мостов.
Эмпирическим путем установлено, что гладкая функция выходного напряжения достигается при соотношении напряжений, равном натуральному числу е, причем большее значение соответствует основному каналу напряжения. При суммировании образуется функция напряжения, как изображено на фигуре 4. Отсутствие разрывов в кривой выходного напряжения означает наличие моментов равенства ЭДС, и возможность реализовать режим естественной коммутации реверсивных мостов.
Отличие предлагаемого способа преобразования частоты от прототипа заключается в способе формирования выходного напряжения. В заявленном решении формируется два напряжения, снимаемых с вторичных обмоток согласующего многофазного трансформатора и коммутируемых в соответствии со специальным алгоритмом, причем уровень основного напряжения больше уровня дополнительного в натуральное число е раз. Полученные напряжения суммируются, что в результате и обеспечивает формирование выходного напряжения заданной частоты.
Заявляемый способ является новым решением, имеющим три принципиальных отличия от прототипа:
- предложено формирование дополнительного напряжения, фрагменты которого обратны соответствующим фрагментам основного напряжения;
- задается уровень дополнительного обратного напряжения, в натуральное число е раз меньше основного;
- выходное напряжение формируется суммированием напряжений, основного и обратного, и представляет собой гладкую функцию без разрывов.
Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - значительному повышению качества выходного напряжения, и возможности обеспечения естественной коммутации полупроводниковых ключей без разрыва кривой тока, что обеспечивает улучшенную электромагнитную совместимость устройства с питающей сетью и судовым оборудованием.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена осциллограмма выходного напряжения промышленной серийно выпускаемой гребной установки мощностью 1,5 МВт. На фигуре 2 изображен график основного напряжения. На фигуре 3 изображен график обратного напряжения. На фигуре 4 изображен график выходного напряжения. На фигуре 5 изображены графики основного (1), обратного (2) и выходного напряжений (3).