СПОСОБ ДВУХКАНАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ
DOUBLE-CHANNEL FREQUENCY CONVERSION METHOD

Область техники, к которой относится изобретение. Изобретение относится к преобразовательной технике, и может быть использовано для питания электропривода, а также в промышленных установках специального назначения, например металлургии и в системах индукционного нагрева.
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 современных промышленных установках и технологических процессах используются полупроводниковые (статические) преобразователи, имеющих преимущества по сравнению с устаревшими электромашинными агрегатами. Принципиально, можно разделить все типы полупроводниковых преобразователей на выпрямители и преобразователи (в том числе инверторы). Выпрямители используются для питания нагрузки постоянного тока, и встречаются не так часто как преобразователи частоты. Назначением преобразователей частоты является питание промышленной нагрузки частотой, отличающейся от аналогичного параметра питающей сети переменного тока [1, 2]. Вместе с тем, кроме электропривода, требующего наличия возможности изменения частоты, существуют установки, которым необходимо питание повышенной частотой переменного тока, и работающие при фиксированном значении параметров. К таким установкам относятся гироскопы навигационных комплексов, процессы индукционного нагрева сталей, различного рода центрифуги. Все перечисленные потребители имеют постоянную скорость вращения или работы, и не требуют регулирования параметров питающего напряжения. Предлагаемое решение предназначено для питания перечисленных категорий потребителей.
В существующих решениях чаще всего используются автономные инверторы напряжения, с преобразованием частоты широтно-импульсной модуляцией, имеющие прямоугольную форму выходного напряжения [1, 2]. Преобразователи с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения оснащены звеном постоянного тока. С целью 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 недостатки, что ограничивает их область применения. 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 [2].
В последнее десятилетие полупроводниковой промышленностью освоено производство мощных полностью управляемых ключей с высокой частотой коммутации, что дало толчок к развитию, и поиску новых способов управления коммутаторами, входящими в состав преобразователей.
Произошло повышение частоты коммутации ключей, которая во много раз превышает частоту питающей сети, и еще больше - по сравнению с классическими преобразователями. Это приводит к росту тепловыделения 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.
Существует класс полупроводниковых преобразователей переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты без промежуточного преобразования (выпрямления). Подобные устройства получили название непосредственных преобразователей частоты (НПЧ). Такой непосредственный преобразователь позволяет переключать фазы нагрузки между фазами сети по заданному алгоритму преобразования.
Коммутатор такого преобразователя частоты управляется по заранее заданному, циклически повторяющемуся алгоритму управления. На фигуре 1 показан график выходного напряжения алгоритма преобразования частоты, обеспечивающего последовательность чередования (коммутрирования) фаз в прямой последовательности А-В-С-А-В-С(и т.д.). Такой алгоритм описывается разностью частотгде  - частота питающего источника,
Ω - частота циклов переключения.
На фигуре 2 показан график выходного напряжения алгоритма преобразования частоты, обеспечивающего последовательность чередования фаз в обратной последовательности А-С-В-А-С-В (и т.д.). Такой алгоритм описывается суммой частот где  - частота питающего источника, Ω - частота циклов переключения.
На фигуре 3 представлена принципиальная схема полупроводникового коммутатора. Коммутатор оснащен двунаправленными полупроводниковыми ключами (полностью управляемыми - возможно открытие и закрытие ключа по управляющему сигналу), что делает возможным коммутацию в любой момент времени, а двунаправленные ключи реализуют реверсивность -смену полярности выходного напряжения в произвольном порядке [2].
На фигуре 4 представлена номограмма выходного напряжения трехфазного коммутатора, изображенного на фигуре 3. Данная номограмма наглядно представляет все возможные состояния (напряжения) на выходе упомянутого коммутатора. Это означает возможность получения в заданный момент времени на выходе коммутатора любого из уровней напряжений, представленных на номограмме.
На фигуре 5 представлен график работы одного из двух каналов предлагаемого способа преобразования частоты, имеющего фазовый сдвиг -60 электрических градусов относительно точки перехода напряжения через ноль. Как это показано на номограмме, изображенной на фигуре 4, точки перехода напряжений через ноль повторяются с интервалом в 60 электрических градусов (то есть π/3). Такая система напряжений является симметричной, положительные и отрицательные напряжения полностью повторяют друг друга, а продление полуволны положительного напряжения - переходит в отрицательную полуволну напряжения. Фазовый сдвиг на -60 электрических градусов относительно точки прохода через ноль напряжения, при длительности интервала 120 электрических градусов (то есть 2π/3) дает симметричный относительно нуля фрагмент напряжения.
На фигуре 6 представлена график работы второго из двух каналов предлагаемого способа преобразования частоты, имеющего фазовый сдвиг +120 электрических градусов относительно точки перехода напряжения через ноль. Фазовый сдвиг на +120 электрических градусов относительно точки прохода через ноль напряжения, дает на выходе обратную к первому каналу полярность фрагментов напряжения.
На фигуре 7 представлен график выходного напряжения, полученного при помощи предлагаемого способа преобразования. Из графика очевидно, что длительность полуволны напряжения составляет 60 электрических градусов, и в 3 раза меньше длительности полуволны входного напряжения, причем сформирована непрерывная последовательность полуволн разной полярности, то есть поставленная техническая задача решена.
На фигуре 8 представлен график напряжений первого и второго каналов, а также выходного суммарного напряжения. Из представленных графиков напряжений очевидно, что симметричны не только напряжения каналов (первого и второго) - относительно точки прохода через ноль напряжения, но и обеспечивается симметричный сдвиг на 60 градусов между каналами, причем полярность суммируемых напряжений всегда совпадает. Это значит, что положительному мгновенному напряжению первого канала всегда соответствует положительное напряжение второго канала, то же самое справедливо и для области отрицательных значений напряжений.
На фигуре 9 представлен график напряжений одной фазы входной (питающей) сети, и график выходного суммарного напряжения каналов.
Из фигуры очевидно, что предлагаемый способ преобразования дает увеличение частоты выходного напряжения в 3 раза, что соответствует частоте 150 Гц при частоте питающей сети 50 Гц, или 180 Гц при частоте питающей сети 60 Гц. Такое преобразование отличается простотой и своей эффективностью (высокой степенью использования входных напряжений), уровень выходного напряжения является удвоенным, относительно уровней входных питающих напряжений.
В заявляемом способе преобразования питание каналов преобразования может быть осуществлено от двух гальванически развязанных вторичных обмоток трехфазного трансформатора.
В большинстве существующих полупроводниковых преобразователей применяются силовые многофазные трансформаторы, главным образом для согласования напряжений и гальванической развязки с питающей сетью. При помощи обмоток обеспечивают питание нескольких полупроводниковых коммутаторов (каналов).
В сравнении с основным прототипом, есть принципиальная разница (отличие) заявляемого решения. Новизна заключается в принципе получения напряжений в двух суммируемых каналах. В известном решении, выбранном за прототип, каждый канал преобразования формирует выходное напряжение пониженной частоты, состоящее из многих фрагментов напряжения входной питающей сети, и может быть использован как преобразователь отдельно. В предлагаемом решении, используются отдельные фрагменты напряжения, имеющие длительность большую, чем полуволны напряжения, формируемые на выходе после суммирования каналов. Это отличает заявляемый способ преобразования от его прототипа.
Отличие предлагаемого способа преобразования частоты от прототипа заключается в получении полуволны выходного напряжения повышенной частоты из каждого фрагмента (на каждом интервале периода между коммутациями) входного напряжения. При этом в каждом канале по отдельности, не происходит образования напряжения с выходной частотой -технический результат достигается заданием фазового сдвига между интервалами коммутации в каналах, с последующим их суммированием. Это в результате и обеспечивает формирование выходного напряжения повышенной частоты.
Заявляемый способ является новым решением, имеющим три принципиальных отличия от прототипа:
- задается длительность периодов между коммутациями, равная 120 электрическим градусам;
- задается фазовый сдвиг между коммутациями в каналах, равный 60 электрическим градусам;
- фазовые сдвиги в каналах отсчитываются от момента перехода входного напряжения через ноль, -60 электрических градусов в одном, и +120 электрических градусов в другом.
Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - преобразованию (умножению) частоты напряжения в 3 раза.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображен график выходного напряжения непосредственного преобразователя частоты по алгоритму с разностью частот. На фигуре 2 изображен график выходного напряжения непосредственного преобразователя частоты по алгоритму с суммой частот. На фигуре 3 изображена принципиальная схема трехфазного коммутатора. На фигуре 4 изображена номограмма выходных напряжений трехфазного выпрямителя. На фигуре 5 изображен график выходного напряжения канала с фазовым сдвигом -60 электрических градусов. На фигуре 6 изображен график выходного напряжения канала с фазовым сдвигом +120 электрических градусов. На фигуре 7 изображен график выходного напряжения суммы двух каналов. На фигуре 8 изображены графики напряжений. Здесь 1 - выходное напряжение канала с фазовым сдвигом -60 электрических градусов, 2 - выходное напряжение канала с фазовым сдвигом +120 электрических градусов, 3 - выходное напряжение суммы двух каналов. На фигуре 9 изображены графики напряжений. Здесь 3 - выходное напряжение суммы двух каналов, 4 - напряжение питающей сети.
Список использованной литературы.
1. Карташов Р.П., А.К. Кулиш, Э.М. Чехет Тиристорные преобразователи частоты с искусственной коммутацией. / Киев: ТЕХНИКА, 1979. - стр. 152.
2. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.