НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использована при построении различного рода управляемых электромеханических систем (например, генерирующих электромеханических систем или частотно управляемых электроприводов) с улучшенными энергетическими характеристиками.
Известны преобразователи частоты непосредственного типа, выполненные на не полностью управляемых ключевых элементах - тиристорах (см., например, стр.43 в книге Джюджи Л., Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: Теория, характеристики, применение. Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 400 с.)
В таких преобразователях частоты непосредственного типа невозможно реализовать преобразование напряжения известным способом квазиоднополосной модуляции.
Наиболее близким к полезной модели является непосредственный преобразователь частоты, описанный, на стр.13 в книге: Сандлер А.С., Сарбатов Р.С. Преобразователи частоты для управления асинхронными двигателями. - М. - Л.:
м
1
2
1
м
Энергия, 1966. - 144 с. При трехфазном входе и трехфазном выходе преобразователь содержит девять полностью управляемых ключей переменного тока, выполненных на транзисторах и диодах, которые управляются от блока управления, реализующего способ квазиоднополосной модуляции. Ключи переменного тока последовательно через равные интервалы времени (по циклическому закону) с частотой f к каждой из трех выходных фаз («а», «b», «с») нагрузки подключают напряжения частоты f каждой из трех входных фаз («А», «В», «С»). На выходе непосредственного преобразователя частоты при этом формируется напряжение квазисинусоидальной формы, частота f основной (полезной) гармоники которого равна разности частот f и f:
2
1
м
f=f-f.
Параллельно каждому транзистору в ключах переменного тока подключается RCD цепочка для ограничения импульсных перенапряжении на нем, обусловленных паразитными индуктивностями питающей сети и индуктивностями нагрузки.
Недостатками такого решения являются большое число элементов RCD цепочек и энергетическая неэффективность из-за потерь в резисторах и диодах RCD цепочек, которые невозможно рационально преобразовать в полезную мощность.
Техническим результатом полезной модели является уменьшение общего числа элементов предназначенных для ограничения импульсных перенапряжений на ключах переменного тока, уменьшение потерь в этих элементах, за счет дозированного ограничения импульсных перенапряжений, а также получение возможности преобразовать часть потерь в полезную мощность.
Технический результат достигается тем, что известный непосредственный преобразователь частоты, содержащий три группы управляемых ключей переменного тока с тремя полностью управляемыми ключами переменного тока в каждой группе, с числом входных и выходных фаз равным трем, в котором к каждой входной фазе подключено одним своим силовым выводом по одному ключу переменного тока из каждой группы, а другие силовые выводы трех ключей переменного тока каждой группы объединены между собой и образуют одну из трех его выходных фаз, а также блок управления группами ключей переменного тока, он снабжен узлом ограничения импульсных перенапряжений выполненом в виде двух трехфазных выпрямительных мостов, у которых одноименные по полярности выводы постоянного тока объединены и между ними включена защитная цепочка из последовательно соединенных дополнительного управляемого ключа с узлом управления и накопительного конденсатора с параллельно подключенным к нему разрядным элементом, причем выводы переменного тока одного выпрямительного моста подключены к трем входным фазам непосредственного преобразователя частоты, выводы переменного тока другого выпрямительного моста подключены к трем выходным фазам непосредственного преобразователя частоты, узел управления дополнительным ключом выполнен в виде задатчика уровня опорного сигнала и компаратора с гистерезисом, имеющего вход настройки уровня гистерезиса и два информационных входа - измерительный и опорный, причем измерительный вход подключен параллельно защитной цепочке, а опорный вход - к выходу задатчика уровня опорного сигнала, который также имеет свой вход настройки уровня опорного сигнала.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная электрическая схема трехфазного преобразователя частоты; на фиг.2 а) приведены осциллограммы выходных напряжения и тока преобразователя частоты (для одной фазы) при отсутствии в нем узла ограничения импульсных перенапряжений; на фиг.2 б) показана осциллограмма напряжения на одном из ключей переменного тока при отсутствии в преобразователе частоты узла ограничения импульсных перенапряжений; на фиг.3 а) осциллограммы выходных напряжения и тока преобразователя частоты (для одной фазы) при наличии в нем узла ограничения импульсных перенапряжений; на фиг.3 б) осциллограмма напряжения на одном из ключей переменного тока при наличии в преобразователе частоты узла ограничения импульсных перенапряжений.
Непосредственный преобразователь частоты содержит три группы полностью управляемых ключей переменного тока 1, 2, 3; 4, 5, 6 и 7, 8, 9 включенных между его входными «А», «В», «С» и выходными «а», «в», «с» выводами, блок управления ключами переменного тока 10 с выходами 11, 12, 13 и узел ограничения импульсных перенапряжений. Блок управления 10 строится на основе регистра Джонсона и может быть выполнен как указано на стр.83 в книге «Системы управления тиристорными преобразователями частоты» В.А.Бизиков, В.Н.Миронов, С.Г.Обухов, Р.Н.Шамгунов. - М.: Энергоатомиздат, 1981 г. - 144 с. Узел ограничения импульсных перенапряжений выполнен в виде входного трехфазного выпрямительного моста на диодах 14÷19, своими входными выводами подключен к силовым входным выводам трехфазного преобразователя частоты «А», «В», «С», а выходной трехфазный выпрямительный мост на диодах 20÷25 своими входными выводами подключен к выходным выводам трехфазного преобразователя частоты «а», «в», «с». Одноименные по полярности выводы постоянного тока входного и выходного диодных мостов объединены между собой, образуя соответственно две точки «m» и «n», между которыми включена защитная цепочка из последовательно включенных управляемого ключа 26 с узлом управления 27 и накопительного конденсатора 28 с параллельно подключенным к нему разрядным элементом 29. Выход задатчика уровня опорного сигнала 30 подключен к опорному входу компаратора с гистерезисом 31 (описание см. на стр.184-186 в кн.: Забродин Ю.С. Промышленная электроника. - М.: Высшая школа, 1980. - 496 с.). Измерительный вход компаратора 31 подключен к точкам «m», «n», то есть параллельно защитной цепочке из элементов 26, 28. Выход компаратора с гистерезисной характеристикой 31 является выходом узла управления 27. Узел управления 27 имеет рукоятку настройки 32 компаратора 31 и рукоятку настройки 33 задатчика уровня опорного сигнала 30. Разрядный узел 29, подключенный параллельно конденсатору 28, в простейшем случае может быть выполнен в виде резистора, а при необходимости в виде устройства преобразующего сбрасываемую энергию например в энергию источника питания внутренних нужд непосредственного преобразователя частоты. Нагрузка 34 своими первым, вторым и третьим входами подключена к выходным выводам «а», «в», «с» преобразователя частоты.
Непосредственный преобразователь частоты работает следующим образом.
сраб
сраб
отп
Ограничение импульсных перенапряжений на ключах переменного тока 1-9 при их коммутации осуществляется следующим образом. Пусть, например, в преобразователе частоты в открытом состоянии были ключи 1, 5, 9, и токи в фазах активно-индуктивной нагрузки 34 протекали в направлениях, показанных на фиг.1. В фазах А, В, С сети также протекали токи, показанные стрелками. После запирания этих ключей от блока управления 10 поступают управляющие импульсы на отпирание следующих ключей. От момента запирания ключей, отработавших свой интервал времени, и до момента открытого состояния вновь вступающих в работу ключей существует небольшой интервал времени (премя включения - порядка десятков наносекунд), когда все 9 ключей находятся в непроводящем состоянии. В этот интервал времени, из-за наличия паразитных индуктивностей питающей сети и индуктивностей нагрузки на выходе преобразователя частоты (в нагрузке) и на его ключах возникают импульсы перенапряжения. На фиг.2, при отсутствии узла ограничения импульсных перенапряжений, видно, что данные импульсы имеют недопустимо высокий уровень, приводящий к выходу из строя преобразователя частоты. На фиг.3, при наличии узла ограничения импульсных перенапряжений, видно, что данные импульсы имеют существенно меньший уровень, являющийся допустимым. Импульсы, обусловленные индуктивностью нагрузки, через диоды 22, 23, 24 выпрямительного моста прикладываются к точкам «m», «n». К этим точкам подключен измерительный вход компаратора 31. При достижении импульсов перенапряжения уровня срабатывания U (уровень настраивается с помощью рукоятки 33) компаратор 31 срабатывает и генерирует сигнал на отпирание ключа 26. В результате его отпирания перенапряжение, равное U, прикладывается к цепочке из параллельно включенных накопительного конденсатора 28 и разрядного резистора 29. При этом перенапряжение начинает снижаться, и при достижении его значения, равного уровню U (уровень настраивается с помощью рукоятки 32), компаратор генерирует сигнал на запирание ключа 26, ключ 26 запирается, и на данный момент защитная цепочка 26, 28 завершает выполнение своей защитной функции. К этому моменту времени три других ключа переменного тока преобразователя частоты уже вышли в открытое состояние. Последующее их запирание и очередное отпирание ключей следующей тройки приводит к повторному срабатыванию защитной цепочки. Таким образом, периодический процесс сброса энергии запасенной в индуктивностях нагрузки в цепочку 26, 28 в моменты переключения ключей переменного тока 1-9 происходит только тогда, когда это необходимо, на временных отрезках, несоизмеримых с временными интервалами проводимости ключей переменного тока 1÷9. Именно этот фактор и определяет уменьшение потерь в элементах ограничения импульсных перенапряжений, по сравнению с применением RCD цепочек. Предложенное устройство ограничения перенапряжений по существу представляет собой «электронный клапан».
Вырямительный мост на диодах 14÷19, выполняет такую же функцию, как и выпрямительный мост на диодах 20÷25, с той лишь разницей, что он собирает и направляет в защитную цепочку 26, 28 энергию, накапливаемую в паразитных индуктивностях проводов, подводящих напряжение питания к преобразователю частоты. Оба выпрямительных моста в моменты ограничения перенапряжений работают одновременно: в выше рассмотренном примере, в моменты, когда открыты диоды 22, 23, 24, открыты также диоды 16, 17, 18.
Использование полезной модели обеспечивает уменьшение общего числа элементов предназначенных для ограничения импульсных перенапряжений на ключах переменного тока, уменьшение потерь в этих элементах, за счет дозированного ограничения импульсных перенапряжений, а также получение возможности преобразовать часть потерь в полезную мощность.