ОБРАТИМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
REVERSIBLE FREQUENCY CONVERTER

Предложение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к обратимым электрическим преобразователям частоты с двойным преобразованием электрической энергии.
Известен преобразователь частоты (патент CN 102664539 A, класс H02M 7/155, дата выдачи 12.09.2012 г.), содержащий управляемый выпрямитель, накопительный конденсатор и инвертор. Известна схема трехфазного полностью управляемого двухполупериодного выпрямителя (патент US 4797802, класс H02M 1/084, дата выдачи 10.01.1989 г.), содержащего шесть тиристоров, включенных по схеме Ларионова. Также известна схема трехфазного полууправляемого двухполупериодного выпрямителя (патент №2778287, класс H02M 7/162, дата выдачи 03.05.1999 г.), содержащего три тиристора, образующих катодную группу, и три диода, образующих анодную группу выпрямителя, включенных по схеме Ларионова. Недостатком известных устройств является искажение напряжения питающей сети при работе преобразователя частоты (выпрямителя), потребление преобразователем реактивной мощности, невозможность рекуперации электроэнергии обратно в сеть, невозможность получения напряжения на выходе выпрямителя выше уровня напряжения неуправляемого выпрямительного моста.
Наиболее близким по технической сущности является обратимый преобразователь частоты (патент DE 4319254 A1, класс H02M 5/42, H02H 7/12, H02M 7/68, H02P 7/63, дата выдачи 16.12.1993 г. или ЕР 1833153 A2, класс H02M 5/458, H02M 1/12, H02M 1/15, H02P 9/14, H02P 21/06, дата выдачи 12.09.2007 г.), содержащий систему управления, входной дроссель, к выходу которого подключен активный выпрямитель, накопительный конденсатор звена постоянного тока и автономный инвертор напряжения. Положительным эффектом такой схемной реализации является:
- возможность двухстороннего обмена энергией с питающей сетью;
- возможность получать практически синусоидальный сетевой ток в режимах потребления и рекуперации энергии;
- возможность осуществлять регулирование коэффициента мощности;
- возможность регулирования напряжения на выходе активного выпрямителя выше уровня напряжения неуправляемого выпрямителя.
Недостатком такой схемотехнической реализации является невозможность регулировать напряжение в звене постоянного тока обратимого преобразователя частоты ниже уровня напряжения неуправляемого выпрямителя и, как следствие, низкая эффективность, либо невозможность работы такого преобразователя на низковольтную нагрузку.
Предлагаемый электрический преобразователь позволяет осуществлять работу с напряжением в звене постоянного тока, изменяющимся в широком диапазоне, и, как следствие, возможность изменять амплитуду выходного напряжения обратимого преобразователя частоты в стационарных режимах.
Устройство, схема которого представлена на Фиг.1 (Фиг.2), содержит систему управления 1, автономный инвертор напряжения 2, тормозную цепочку 3, накопительный конденсатор 4 и активный трехфазный выпрямитель 5. Активный выпрямитель 5 состоит из входного трехфазного дросселя 6, к выходу которого подключены шесть выпрямительных диодов 7÷12, шунтированных транзисторами 13÷18 и подключенных антипараллельно. Устройство снабжено катодными (анодными) цепочками 19÷21 (22÷24), каждая из которых состоит из диода 25, 26, 27 (28, 29, 30) и тиристора 31, 32, 33 (34, 35, 36), включенных антипараллельно и подключенных последовательно с цепочками диода 7, 9, 11 (8, 10, 12) и транзистора 13, 15, 17 (14, 16, 18) катодных (анодных) плеч полумоста активного выпрямителя 5. Катод (анод) диода 25, 26, 27 (28, 29, 30) и анод (катод) тиристора 31, 32, 33 (34, 35, 36) одной из трех введенных катодных (анодных) цепей 19÷21 (22÷24) соединены с катодом (анодом) диода 7, 9, 11 (8, 10, 12) и коллектором (эммитером) транзистора 13, 15, 17 (14, 16, 18) катодной (анодной) группы выпрямителя 5. Анод (катод) диода 25, 26, 27 (28, 29, 30) и катод (анод) тиристора 31, 32, 33 (34, 35, 36) введенной цепи соединен с положительным (отрицательным) полюсом звена постоянного тока преобразователя частоты.
Обратимый электрический преобразователь может быть снабжен тремя анодными 19, 20, 21 и тремя катодными 22, 23, 24 цепочками, каждая из которых состоит из диода 25÷30 и тиристора 31÷36, включенных антипараллельно и подключенных последовательно с цепочками диода 7÷12 и транзистора 13÷18 плеч полумоста активного выпрямителя 5, причем катод диода 25÷27 и анод тиристора 31÷33 одной из трех введенных катодных цепей 19÷21 соединены с катодом диода 7÷11 и коллектором транзистора 13, 15, 17 катодной группы выпрямителя, а анод диода 25÷27 и катод тиристора 31÷33 введенной цепи соединены с положительным полюсом звена постоянного тока, анод диода 28÷30 и катод тиристора 34÷36 одной из трех введенных анодных цепей 22÷24 соединены с анодом диода 8, 10, 12 и эммитером транзистора 14, 16, 18 анодной группы выпрямителя 5, а катод диода 28÷30 и анод тиристора 34÷36 введенной цепи соединены с отрицательным полюсом звена постоянного тока.
Работа обратимого преобразователя частоты происходит в двух режимах при напряжении в звене постоянного тока ниже напряжения неуправляемого выпрямителя и при напряжении в звене постоянного тока выше напряжения неуправляемого выпрямителя.
Рассмотрим режим работы обратимого преобразователя частоты в режиме, когда требуемый уровень напряжения в звене постоянного тока должен быть в пределах от нуля до уровня напряжения, определяемого неуправляемым выпрямителем. В этом режиме управление уровнем напряжения в звене постоянного тока будет происходить посредством управления углом фазового управления тиристорами 31÷33 для Фиг.1, 34÷36 для Фиг.2 и 31÷36 для Фиг.3. При этом выпрямитель на Фиг.1 и Фиг.2 будет работать в режиме полууправляемого, а на Фиг.3 в режиме полностью управляемого; данные режимы отличаются формой или качеством выпрямленного напряжения.
Рассмотрим промежуток времени, когда потенциал фазы A более положителен, чем потенциал фазы В относительно фазы С (Фиг.3). При этом ток от источника будет протекать через фазу дросселя 6, последовательно включенные диод 11 и тиристор 33 в нагрузку (заряд конденсатора 4 и нагрузка инвертора 2) и через последовательно включенные тиристор 34, диод 8 и фазу С дросселя, и так далее в остальные промежутки времени при различном напряжении фаз A, B, C. При этом используют фазовый метод управления, при котором можно осуществлять регулирование напряжения в звене постоянного тока обратимого преобразователя частоты. При таком режиме работы ток, потребляемый из питающей сети, будет сглаживаться посредством используемого входного дросселя 6. Следует отметить, что амплитуда выходного напряжения инвертора 2 будет определяться уровнем напряжения в звене постоянного тока (напряжением на конденсаторе 4) обратимого преобразователя частоты и для стационарных режимов работы может быть изменена в достаточно широком диапазоне.
Рассмотрим режим работы обратимого преобразователя частоты в режиме, когда требуемый уровень напряжения в звене постоянного тока должен быть выше уровня напряжения, определяемого неуправляемым выпрямителем. В этом режиме управление уровнем напряжения в звене постоянного тока будет происходить посредством управления скважностью и фазой открытия транзисторов 13-48 относительно фазы напряжения источника питания. Рассмотрим более подробно данный режим работы согласно Фиг.3. Рассмотрим промежуток времени, когда потенциал фазы A более положителен, чем потенциал фазы B относительно фазы C (Фиг.3). Принцип работы активного выпрямителя 5 заключается в том, что источник питания закорачивается накоротко через фазу A дросселя 6, диод 11, полностью и всегда открытый тиристор 33, диод 25, транзистор 13 и фазу C дросселя 6, в результате чего происходит накопление энергии в дросселе 6. При этом ток, протекающий через дроссель 6 и силовые ключи 11, 33, 25, 13, не превышает допустимый установленный ток силовых ключей выпрямителя, после чего дроссель 6 раскорачивается посредством закрытия транзистора 13. Согласно первому закону коммутации, который гласит о том, что ток через индуктивность не может измениться скачком, этот ток будет замыкаться по цепи фаза A дросселя 6, диод 11, тиристор 33, накопительный конденсатор 4, и часть тока при работе инвертора 2 в нагрузку полностью и всегда открытый тиристор 36, диод 12, и фаза С дросселя 6.
Коэффициент мощности, потребляемой преобразователем, будет определяться напряжением, формируемым транзисторами 13÷18, между дросселем 6 и силовыми ключами выпрямителя 5, формируя тем самым фазу и уровень напряжения на дросселе 6. При этом фаза тока, потребляемого из сети или тока через дроссель 6, четко связана с фазой напряжения на дросселе 6.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет изменять амплитуду напряжения на выходе преобразователя частоты как выше, так и ниже амплитуды напряжения на его входе для стационарных режимов его работы, что значительно расширяет его функциональные возможности.