УЛУЧШЕННЫЙ ПОНИЖАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
IMPROVED FREQUENCY DOWN-CONVERTER

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к силовой электротехнике и может быть использовано в системах депарафинизации нефтяных скважин и электропривода с пониженной скоростью вращения.
Уровень техники.
Из уровня техники известен трехфазный преобразователь частоты [патент РФ №2217857], содержащий два комплекта, соединенных в мостовую схему и включенных встречно-параллельно тиристоров, входы каждого комплекта тиристоров соединены с источником трехфазного напряжения повышенной частоты, а выход каждого комплекта тиристоров подключен к схеме искусственной коммутации, причем выход первого комплекта тиристоров подключен к началу первой первичной обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем, выход второго комплекта тиристоров подключен к концу первой первичной обмотки этого трансформатора, при этом вторая первичная обмотка трансформатора смещена в пространстве относительно первой на угол 90° и соединена с концом первичной обмотки трансформатора, а ее начало через фазосдвигающий конденсатор соединено с началом первой первичной обмотки. Выходом преобразователя служат три вторичные обмотки трансформатора, сдвинутые одна относительно другой на 120° и соединенные по схеме "звезда", к которым подключается трехфазная нагрузка. Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к предлагаемому изобретению.
К недостаткам такого решения можно отнести наличие фазосдвигающего конденсатора в цепи второй первичной обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем, что снижает надежность и ухудшает массогабариты. Использование тиристоров требует применения коммутирующего устройства для их запирания, что ухудшает коэффициент полезного действия, а количество комплектов тиристоров ограничено числом фаз питающей сети, что ограничивает качество выходного напряжения. Преобразователь требует повышенной частоты источника питания, что ограничивает область использования.
Также известен понижающий статический преобразователь частоты [Атрашкевич П.В., Балашевич В.М., Коптяев Е.Н. "Непосредственный понижающий преобразователь частоты на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем" - 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. 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.
Раскрытие изобретения.
Основу современных автономных электроэнергетических систем во всем мире составляют генераторы трехфазного переменного напряжения 380 В, 50 Гц. При этом конечные потребители требуют для своей работы преобразования одного или нескольких параметров: рода тока, напряжения и частоты. Для этого в настоящее время используются преимущественно полупроводниковые статические преобразователи. Все множество преобразователей электроэнергии можно разделить на несколько основных классов: выпрямители и преобразователи частоты. Задача преобразователей частоты - это плавный пуск двигателей различных механизмов, а также регулирование их частоты. Также существует отдельный класс промышленных потребителей, требующих питания пониженной частоты без ее регулирования. К таким потребителям относятся, в частности, системы депарафинизации нефтяных скважин и некоторые технологические процессы в металлургии.
Основой классических преобразователей является трехфазная мостовая схема с двумя группами вентилей - катодной и анодной, которая обеспечивает высокое среднее выпрямленное напряжение при довольно малом коэффициенте пульсаций. В случаях, когда напряжение на выходе мостовой схемы должна менять полярность, используется встречно-параллельное включение вентилей, представляющее собой реверсивную схему. Недостатком таких преобразователей является необходимость введения дополнительных обмоток типа треугольник и зигзаг для получения дополнительного фазового сдвига, что связано с ухудшением массогабаритных показателей установки. Каждая вторичная обмотка подключается к своему трехфазному мосту, они соединяются последовательно или параллельно. Естественная коммутация вентилей без разрыва тока возможна только в неуправляемом режиме, введение угла регулирования приводит к коммутационным выбросам ЭДС.
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 в десятки и сотни 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.
Основой для нового класса статических преобразователей электроэнергии стали трансформаторы с вращающимся магнитным полем (ТВМП), как попытка улучшить электромагнитную совместимость с питающей сетью и качество выходного напряжения выпрямителей и инверторов на базе ТВМП. Это привело к появлению вторичной круговой обмотки (КО), выполненной по типу якорной обмотки машины постоянного тока, и изменению схемы соединений полупроводникового коммутатора. Возможность получения большого числа пульсаций выпрямленного и ступеней синусоидального напряжения за счет увеличения числа отводов КО - один из способов улучшения качества напряжения на выходе выпрямителей и инверторов на базе ТВМП. Дальнейшим развитием идеи управляемого статического преобразователя на базе ТВМП с КО стал непосредственный преобразователь частоты с напряжением, формируемым из фрагментов синусоиды основной частоты.
Конструктивно, ТВМП представляет собой цилиндрический шихтованный магнитопровод с расположенными по окружности пазами, в которые укладываются первичная трехфазная и вторичная круговая обмотка. Создаваемое первичной обмоткой вращающееся магнитное поле наводит во вторичной замкнутой КО переменную ЭДС, при этом сумма ее во всех секция КО равняется нулю, а знак ЭДС при переходе геометрической нейтрали (диагонали КО с максимальной ЭДС) обмотки меняется на противоположный. Коммутируя отводы КО с некоторым коэффициентом запаздывания, отстающее от геометрической нейтрали КО, получаем понижение частоты выходного напряжения. Подобное решение, несмотря на использование ТВМП, сохраняет недостатки классических статических преобразователей - разрыв кривой тока и соответствующие ему коммутационные выбросы ЭДС, что ухудшает электромагнитную совместимость с другим оборудованием, и снижает надежность самого преобразователя.
Для решения этой проблемы можно использовать свойство симметричности вторичной круговой обмотки ТВМП, что создает условия для реализации алгоритма плавной коммутации тока между вентилями.
Рассмотрим работу КО на 8 отводов (фиг. 1). Напряжение на отводах изменяется по мере вращении созданного первичной обмоткой магнитного поля, так что, в зависимости от расположения вектора суммарной магнитной индукции, ЭДС на диаметральных выводах (например, DH) будет подчиняться синусоидальному закону, проходя через ноль с частотой, равной частоте питающей сети. То есть за счет числа отводов круговой обмотки можно получить многофазную систему напряжений, число фаз которой определяется числом пар отводов, равным числу диагоналей обмотки.
При работе в режиме неуправляемого выпрямителя пары отводов, составляющих диагональ, коммутируются в моменты равенства ЭДС диагоналей - таким образом, ток переходит на смежную пару отводов без разрыва кривой тока. Это свойство можно обобщить в универсальный закон управления: любая коммутация должна производиться между парами отводов в момент равенства их ЭДС. Это гарантирует плавную передачу тока с вентиля на вентиль и отсутствие коммутационных выбросов ЭДС.
На основе такого закона управления можно строить различные виды преобразователей, в том числе непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), с понижением частоты питающей сети. В этом случае необходимо обеспечить максимальное приближение выходного напряжения пониженной частоты к синусоиде с минимальным уровнем высших гармоник, обеспечивая одновременно равенство ЭДС коммутируемых пар отводов КО. Это приводит к неравным периодам времени между коммутациями.
На фиг. 2 изображено многофазное напряжение круговой обмотки на 6 отводов и формируемое из него выходное напряжение с пониженной в 2 раза частотой. Очевидно, что для данного случая 6 отводов круговой обмотки недостаточно для формирования плавной полуволны на выходе НПЧ. На фиг. 3 изображено выходное напряжение для случая 8 отводов круговой обмотки, полуволна выходного напряжения формируется без снижения до нуля и с лучшим качеством синусоиды.
Отличие предлагаемого преобразователя частоты от прототипа заключается в способе управления многофазным реверсивным мостом, подключенным к вторичной круговой обмотке трансформатора с вращающимся магнитным полем. При этом способе система импульсно-фазового управления обеспечивает нарастающую задержку сигналов управления ключами, коммутирующими отводы круговой обмотки, относительно фазы питающей сети, таким образом, что коммутация производится между парами отводов в момент равенства их ЭДС, что в результате обеспечивает понижение частоты основной гармоники выходного напряжения и отсутствие разрыва кривой тока при коммутации отводов круговой обмотки.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим три принципиальных отличия от прототипа:
- алгоритм управления выходным многофазным реверсивным мостом предусматривает максимальное приближение выходного напряжения преобразователя к синусоидальному напряжению соответствующей частоты;
- коммутация производится между парами отводов круговой обмотки в момент равенства их ЭДС;
- возможное значение пониженной частоты выходного напряжения зависит от числа отводов круговой обмотки.
Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - повышению качества выходного напряжения и повышению электромагнитной совместимости устройства с питающей сетью.
Краткое описание чертежей.
z
На фиг. 1 изображен многоугольник ЭДС круговой обмотки на 8 отводов. Здесь 1 - круговая обмотка, A, B, C, D, E, F, G, H - отводы круговой обмотки, U - диагональ круговой обмотки с максимальным напряжением.
На фиг. 2 изображено многофазное напряжение круговой обмотки с 6 отводами и формируемое из него выходное напряжение с пониженной в 2 раза частотой. Здесь 1 - выходное напряжение понижающего преобразователя частоты, 2 - многофазная система напряжения на выходе круговой обмотки с 6 отводами.
На фиг. 3 изображено многофазное напряжение круговой обмотки с 8 отводами и формируемое из него выходное напряжение с пониженной в 2 раза частотой. Здесь 1 - выходное напряжение понижающего преобразователя частоты, 2 - многофазная система напряжения на выходе круговой обмотки с 8 отводами.