НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С ИСТОЧНИКАМИ ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ, МОДУЛИРОВАННЫМИ ПО АМПЛИТУДЕ ПО СИНУСОИДАЛЬНОМУ ЗАКОНУ
DIRECT FREQUENCY CONVERTER WITH INPUT VOLTAGE SOURCES, AMPLITUDE-MODULATED BY SINUSOIDAL LAW

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении систем генерирования трехфазного переменного напряжения частотой 50 Гц в автономных установках, в частности в энергетических системах судов и других объектов, где применяются турбогенераторные агрегаты с высокой частотой вращения и имеющие на выходе генератора высокочастотное напряжение, модулированное по амплитуде по синусоидальному закону.
Такая система генерирования синусоидального напряжения с использованием двух генераторов высокой частоты с числом пар полюсов p±1 и специальным образом подключенных суммирующих трансформаторов предложена в патенте [1].
Суммирующие трансформаторы формируют три трехфазные системы напряжений специального вида на основе биений напряжений от двух генераторов с различными частотами.
Каждое из трех трехфазных напряжений биений в питающей системе имеет сдвиг по фазе в 120° на частоте биений (Фиг. 2) и используется для формирования одной фазы выходного напряжения преобразователем частоты с непосредственной связью. Частота напряжений биений равна частоте выходного напряжения (50 Гц ±0,5%).
В указанном патенте для формирования выходного напряжения с частотой 50 Гц предложено использовать тиристорный непосредственный преобразователь частоты (НПЧ). Однако описанная тиристорная схема в данном приложении имеет явные недостатки, связанные с неполной управляемостью вентилей, при этом в случае активно-индуктивного характера нагрузки продолжающиеся реактивные токи не могут быть прерваны за счет естественной коммутации при переходе напряжения в область другого знака, и это существенно искажает выходное напряжение.
Практическая реализация устройства по патенту показала, что его преимущества проявляются только при чисто активном характере нагрузки.
Задачей предлагаемого изобретения является получение на выходе НПЧ трехфазного напряжения с формой, максимально близкой к синусоидальной, а также обеспечение работы системы с тремя входными трехфазными напряжениями, имеющими форму напряжений биений (или амплитудно-модулированных напряжений) на несимметричную нагрузку с широким диапазоном значений коэффициента мощности (как индуктивного, так и емкостного характера).
Указанная задача достигается за счет того, что для этого в отличие от входящего в состав прототипа преобразователя частоты с непосредственной связью, состоящего из 3-х групп вентильных комплектов, каждая из которых содержит два встречно включенных мостовых тиристорных выпрямителя, к выходу которых подключена трехфазная нагрузка, и систему управления, предлагается каждую группу силовых элементов выполнить в виде одного комплекта из шести двунаправленных ключей на IGBT-транзисторах, включенных попарно, встречно в каждую из шести ветвей, на входе каждой группы введен фильтр, три датчика входного напряжения, на выходе датчик тока и датчик выходного напряжения, система управления имеет 5 входов и 12 выходов, причем выходы датчиков напряжения и тока подключены ко входам системы управления, а выходы системы управления подключены к соответствующим электродам управления двунаправленных ключей.
Введение шести двунаправленных ключей на полностью управляемых IGBT-транзисторах, включенных попарно, встречно в каждую из шести ветвей силового комплекта и комплекса датчиков напряжения и выходного тока позволяет (как у прототипа) при подаче на силовые входы трехфазного напряжения, модулированного по амплитуде по синусоидальному закону, получить на выходе синусоидальное напряжение с частотой огибающей модуляции. Кроме того, определяя с помощью датчиков выходного тока и напряжения области появления обратного реактивного тока, можно включить соответствующие силовые ключи и пропустить реактивный ток на входную фазу, полярность которой выбирается по показаниям трех входных датчиков напряжения. Это - существенный отличительный признак предлагаемого устройства.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где на Фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства, а на Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5 - временные диаграммы напряжений, действующих в разных точках схемы, и поясняющие принцип действия.
Предлагаемый НПЧ состоит из трех одинаковых секций (Фиг. 1), каждая из которых формирует одну фазу выходного напряжения. Выходы у секций объединяет общий провод, образующий нейтраль выходного трехфазного напряжения. Схема (Фиг. 1) содержит шесть плеч двунаправленных ключей (транзисторы 1 и 7, 2 и 8, 3 и 9, 4 и 10, 5 и 11, 6 и 12), входные предохранители 13, 14, 15, входной фильтр, образованный конденсаторами 17, 18, 19, датчики трех линейных входных напряжений 20, 21, 22, датчик выходного напряжения 23, датчик выходного тока 16 и систему управления 24.
Устройство работает следующим образом.
Каждое из трех трехфазных высокочастотных напряжений, имеющих форму, показанную на фиг. 2, подаваемых на вход какой-либо секции НПЧ, формирует на выходе одну фазу напряжения 50 Гц, представляющую собой огибающую входного трехфазного напряжения.
Датчики выходного напряжения 23 и тока 16 сканируют полярности выходных напряжения и тока, т.е. фактически определяют, в каком из четырех интервалов работает преобразователь в данный момент в соответствии с Фиг. 3. Здесь показан случай, когда выходной ток отстает от выходного напряжения (индуктивная нагрузка), однако принципы управления остаются одинаковыми для любой нагрузки.
Видно, что можно за период выходного напряжения выделить четыре интервала, в которых управление осуществляется по-разному (U>0 и I<0, U>0 и I>0, U<0 и I>0, U<0 и I<0).
В интервале (U>0 и I>0) необходимо подавать в нагрузку положительное напряжение, для этого нужно включить транзистор, соединяющий с нагрузкой ту фазу входного напряжения, на которой в данный момент времени присутствует максимальное положительное напряжение (например, транзистор 1, если на фазе А напряжение максимальное и положительное). Тогда ток входной фазы А пойдет через открытый транзистор 1 и оппозитный диод транзистора 7 в нагрузку. Для сборки цепи нужно открыть один из транзисторов нижних плеч. Если потенциал входной фазы С наиболее отрицательный в этот момент, нужно открыть транзистор 6, и ток пойдет через нагрузку, транзистор 6 и оппозитный диод транзистора 12 во входную фазу С.
Для определения комбинации ключей, которые необходимо включить в данный момент времени, в системе управления заложены три датчика входных напряжений 20, 21, 22, с помощью которых определяется, какая фаза в данный момент имеет наибольшее положительное, среднее и наиболее отрицательное напряжение. Таким образом, определяется сектор времени, в котором в схеме работает определенная комбинация транзисторов. Принцип определения секторов времени показан на Фиг. 4. Система управления сканирует входные напряжения и определяет моменты переходов состояний для управления ключами. Амплитуды входных линейных напряжений изображены для простоты одинаковыми.
Очевидно, что в данной схеме возможен также алгоритм управления, который по аналогии с тиристорными схемами может быть назван групповым. При совпадении направлений напряжения и тока в нагрузке, например, при формировании положительного напряжения в интервале (U>0 и I>0 на Фиг. 3) можно открыть все транзисторы №№1, 2, 3, 4, 5, 6. Тогда схема будет работать как диодный мост Ларионова на оппозитных диодах транзисторов №№7, 8, 9, 10, 11, 12 в режиме «естественной» коммутации.
Для формирования отрицательного напряжения при отрицательном токе в нагрузке (интервал U<0 и I<0 на Фиг. 3) нужно включать в соответствии с текущими состояниями на входе транзисторы 10, 11, 12, 7, 8, 9, соединяя наиболее отрицательные фазы с наиболее положительными.
Возможно также групповое управление.
При несовпадении направлений выходного тока и напряжения (интервалы U>0 и I<0, U<0 и I>0 на Фиг. 3) необходимо возвращать в питающую сеть реактивную энергию, запасенную в нагрузке, для этого должна быть открыта только одна пара транзисторов, обеспечивающая протекание тока нагрузки, которая является в этот момент генератором, в фазу источника, которая имеет в данный момент наиболее противодействующий току нагрузки потенциал.
Например, в интервале U>0 и I<0 на Фиг. 3 (на нагрузке в данном интервале положительное напряжение, а ток все еще отрицательный) и система управления 24 обнаружила, что в данный момент на входе действует сектор A>B>C в соответствии с Фиг. 4, нужно открыть транзисторы 7 и 12.
Если интервал рекуперации занимает несколько секторов с разными комбинациями состояний входных напряжений, необходимо в каждом секторе определять пару транзисторов, позволяющих возвращать энергию в сеть. Форма выходного напряжения в интервалах рекуперации зависит от соотношения внутреннего сопротивления генерирующей системы, приведенного ко входу НПЧ, и сопротивления нагрузки.
На входе схемы Фиг. 1 введены конденсаторы 17, 18, 19, сглаживающие влияние коммутаций транзисторов на входную сеть и предохраняющие транзисторы от выбросов напряжений при выключениях (функция снабберов), а также быстродействующие предохранители 13, 14, 15 для защиты аппаратуры от коротких замыканий при возможных неправильных коммутациях.
Существенным преимуществом данной схемы является очень низкий коэффициент искажений выходных напряжений. Типичный вид выходного напряжения одной фазы без выходного фильтра показан на Фиг. 5. Здесь можно видеть незначительные пульсации напряжения.
Учитывая высокую частоту пульсаций, применение легкого фильтра делает выходное напряжение практически синусоидальным.
Компьютерное моделирование показало, что предложенный НПЧ может работать без искажения формы выходного напряжения на несимметричные нагрузки с cos φ>0,5.
Кроме этого преимуществом предлагаемой схемы является то, что коммутационные интервалы (при переходах тока с одного прибора на другой) гораздо короче, чем в тиристорной схеме, так как оппозитные диоды в IGBT-транзисторах имеют низкие времена восстановления закрытого состояния.
Преобразователь в отличие от инверторов имеет малые динамические потери в транзисторах, так как максимальная частота коммутации ключей равна частоте питающего напряжения.
Статические потери во включенном состоянии ключа также невелики, так как каждый транзистор открыт в течение одной трети периода огибающей.
Источники информации
1. Патент РФ №2457603 на изобретение «Судовой электрогенератор с высокой частотой вращения преимущественно для судовых электростанций», Авторы Свиридов Г.М., Павлов А.А., Свиридов С.Г., Горелов Д.Б.