ПОНИЖАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
FREQUENCY DOWN-CONVERTER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к силовой электротехнике и может быть использовано в системах электропривода с плавной регулировкой скорости вращения, в том числе гребного, а также в установках депарафинизации нефтяных скважин.
Уровень техники
Из уровня техники известен многофазный преобразователь частоты с вращающимся магнитным полем [Авторское свидетельство СССР №738068], содержащий магнитопровод с расположенной на нем многофазной соединенной "звездой" первичной обмоткой, концы которой через ключевые элементы соединены с выводами для подключение источника питания, и многофазной вторичной обмоткой, при этом в каждой фазе первичная обмотка выполнена из двух ветвей противоположной полярности, каждая из которых состоит из двух секций, соединенных согласно-последовательно и подключенных одноименными выводами к соответствующим ключевым элементам данной фазы. Магнитопровод состоит из двух частей с противоположной направленностью намотки первичной и вторичной обмоток.
К недостаткам этого решения можно отнести наличие у первичной обмотки трансформатора ветвей противоположной полярности, что ведет к ухудшению массогабаритных показателей и усложнению технологии изготовления. Большое число отводов первичной обмотки, коммутируемых полупроводниковыми ключами, ведет к ухудшению электромагнитной совместимости с питающей сетью.
Также 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.
Раскрытие изобретения
Основным типом привода различных машин и механизмов, в том числе в гребном электроприводе судов, является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. До сих пор он является самым массовым и надежным типом электродвигателя. Два основных недостатка асинхронного двигателя - это невозможность простой регулировки скорости вращения ротора, очень большой пусковой ток - в пять, семь раз превышающий номинальный. Если использовать только механические устройства регулирования, то указанные недостатки приводят к большим энергетическим потерям и к ударным механическим нагрузкам. Это крайне отрицательно сказывается на сроке службы оборудования.
Современная мировая тенденция - это применение плавного пуска двигателя при помощи регулируемого преобразователя частоты. Частотный преобразователь снижает пусковые токи в 4-5 раз. Он обеспечивает плавный пуск асинхронного двигателя и осуществляет управление приводом по заданной формуле соотношения напряжение/частота. Частотный преобразователь дает экономию по потреблению энергии до 50%. Появляется возможность включения обратных связей между смежными приводами, т.е. самонастройки оборудования под поставленную задачу и изменение условий работы всей системы.
Еще одно применение - это системы депарафинизации нефтяных скважин, в которых требуется знакопеременное напряжения (для избегания процессов электролиза) пониженной частоты (1-5 Гц).
Простейшим случаем преобразования частоты являются инверторы с прямоугольной формой выходного напряжения, в которых преобразование постоянного напряжения первичного источника в переменное достигается с помощью группы ключей, периодически коммутируемых таким образом, чтобы получить знакопеременное напряжение на зажимах нагрузки.
Инверторы напряжения со ступенчатой формой кривой выходного напряжения работают при помощи предварительного высокочастотного преобразования, когда формируются однополярные ступенчатые кривые напряжения, приближающиеся по форме к однополярной синусоидальной кривой с периодом, равным половине периода изменения выходного напряжения инвертора. Затем с помощью, как правило, мостового инвертора однополярные ступенчатые кривые напряжения преобразуются в разнополярную кривую выходного напряжения инвертора.
Инверторы с синусоидальной формой выходного напряжения при помощи предварительного высокочастотного преобразования получают напряжение постоянного тока, значение которого близко к амплитудному значению синусоидального выходного напряжения инвертора. Затем это напряжение постоянного тока с помощью, как правило, мостового инвертора преобразуется в переменное напряжение по форме, близкое к синусоидальному, за счет применении соответствующих принципов управления транзисторами этого мостового инвертора (принципы так называемой многократной широтно-импульсной модуляции). Затем с помощью высокочастотного фильтра нижних частот выделяется синусоидальная составляющая выходного напряжения инвертора.
Как правило, в существующих статических преобразователях трансформаторы применяются только для согласования напряжения питающей сети с напряжением на выходе преобразователя. Разнообразие типов полупроводниковых преобразователей обусловило использование трансформаторов различных типов и конструкций. В мощных статических преобразователях частоты чаще всего используется звено постоянного тока, получаемое выпрямлением переменного напряжения сети, а для гальванической развязки и согласования напряжения используется силовой трансформатор. При этом чаще всего используются трансформаторы с пульсирующим магнитным полем, в трехфазном варианте и соединением обмоток звезда/треугольник для получения 12-пульсной схемы выпрямления.
Одним из способов повышения качества выходного напряжения и потребляемого тока выпрямителей являются трансформаторы с вращающимся магнитным полем, которые позволяют реализовать многопульсные схемы с большим количеством отводов круговой обмотки. В данный момент есть преобразователи частоты, в которых используется трансформатор с вращающимся полем.
В известных на данный момент технических решениях (например, производства ОАО "Силовые Машины", а также фирмы Mitsubishi) трансформатор с вращающимся магнитным полем используется как умножитель числа фаз в составе промежуточного звена постоянного тока и имеет две вторичные трехфазные обмотки, сдвинутые на 30 электрических градусов.
Для улучшения электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей и, в частности, преобразователей частоты и улучшения качества выходного напряжения и потребляемого из сети тока все чаще используется новый тип согласующих трансформаторов с вращающимся полем. В основе таких трансформаторов лежит асинхронный двигатель с заторможенным ротором, при этом, как правило, число зубцов "статора" совпадает с числом зубцов "ротора", либо, как вариант, первичная и вторичная обмотки укладываются в общий паз. В качестве обмотки переменного тока используется многофазная (чаще всего трехфазная) обмотка по типу статорных обмоток электрических машин переменного тока. В качества обмотки на стороне постоянного тока используется круговая обмотка по типу якорных обмоток машин постоянного тока, уложенная в пазах и разделенная на секции с отводами от них.
Обобщенная схема преобразователя на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем показана на фигуре 1. При работе такого преобразователя в режиме выпрямителя многофазная первичная обмотка создает вращающееся магнитное поле, имеющее пространственное распределение и перемещающееся (вращающееся) во времени, наводя во вторичной круговой обмотке переменную ЭДС. При заданном направлении вращения магнитного поля полярность индуцируемой в секциях круговой обмотки ЭДС будет зависеть от того, какой магнитный полюс на них воздействует. При этом во всех проводниках, расположенных под одним магнитным полюсом, полярность ЭДС будет одинаковой. Вместе с магнитным полем, созданным первичной обмоткой, вращается и геометрическая ось симметрии системы ЭДС круговой обмотки. Секции круговой обмотки, в которых наводится ЭДС, располагаются по обе стороны от оси симметрии. Половины круговой обмотки, определяемые геометрической осью симметрии (называемой диагональю круговой обмотки), имеют встречную полярность и равны друг другу по модулю. Равенство суммы ЭДС всех секций круговой обмотки предопределяет отсутствие кольцевых уравнительных токов. Круговая обмотка замкнута и симметрична, но при отсутствии внешней нагрузки тока в ней нет, поскольку ЭДС всех ее секций уравновешивают друг друга при условии симметрии первичной питающей сети. Максимальное выходное напряжение снимается с отводов круговой обмотки, расположенных на диагонали друг к другу, совпадающей с геометрической осью симметрии системы ЭДС. Коммутируя отводы ее диагонали вслед за вращением магнитного поля, получают выпрямленное напряжение.
В основе преобразования частоты напряжения лежит рассмотрение переменного тока как периодически реверсируемого постоянного тока, из-за чего все устройства, реализующие такое преобразование, основаны на многофазной мостовой схеме, состоящей из полупроводниковых ключей с двунаправленной проводимостью. Форма выходного напряжения при этом находится в зависимости от коммутационной функции полупроводникового коммутатора на базе реверсивной мостовой схемы. Простейшим случаем является преобразование постоянного напряжения с прямоугольной формой выходного напряжения. При этом преобразование постоянного напряжения первичного источника в переменное достигается с помощью полупроводниковых ключей, периодически коммутируемых таким образом, чтобы получить знакопеременное напряжение на зажимах нагрузки.
В основе предлагаемого способа преобразования частоты лежит коммутация диаметральных отводов круговой обмотки, в чем оно подобно режиму выпрямителя. Частота выходного напряжения преобразователя частоты при этом определяется временем нарастающей задержки коммутации отводов первичной круговой обмотки относительно вращения оси симметрии системы ЭДС (диагональю круговой обмотки).
В таблице 1, таблице 2 и таблице 3 приведены параметры преобразования частоты напряжения питающей сети в выходное напряжение с частотой, пониженной соответственно в 2, 3 и 4 раза. Таблицы составлены для случая использования 4 отводов круговой обмотки.
При этом число "ступеней" выходного напряжения составляет  то есть 8 ступеней (где Nко - это число отводов круговой обмотки). Длительность одной ступени выходного напряжения  где k - коэффициент преобразования частоты. Период выходного напряжения будет составлять  то есть 40 (4π), 60 (6π) и 80 (8π) миллисекунд при частоте питающей сети 50 Гц.
Отличие предлагаемого преобразователя частоты от прототипа заключается в способе управления многофазным 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, так что каждая следующая коммутация пары отводов круговой обмотки имеет период, больший на определенное значение, определяемое коэффициентом преобразования частоты, что в результате обеспечивает понижение частоты основной гармоники выходного напряжения.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
- трансформатор с вращающимся магнитным полем питается переменным током напрямую от трехфазной силовой сети с промышленной частотой без промежуточных преобразований;
- выходное напряжение формируется путем коммутации на стороне вторичной круговой обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем;
- обеспечивается нарастающее отставание коммутации отводов круговой обмотки от фазы питающей сети;
- выходное напряжение пониженной частоты по своей форме лучше приближается к синусоиде;
- возможно значительное улучшение качества выходного напряжения и его гармонического состава простым увеличением числа коммутируемых отводов.
Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - увеличению надежности за счет отсутствия конденсатора в силовой цепи, повышению качества выходного напряжения с возможностью его улучшения за счет использования дополнительных отводов круговой обмотки и повышению электромагнитной совместимости устройства с питающей сетью.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 изображена схема преобразователя на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем. Здесь 1 - трехфазная обмотка, 2 - круговая обмотка с четырьмя отводами, 3 - коммутатор на ключах К1.1÷К4.2. На фигуре 2 изображен график выходного напряжения понижающего преобразователя частоты с 6 отводами круговой обмотки при делении частоты в 2 раза. На фигуре 3 изображен спектральный состав выходного напряжения понижающего преобразователя частоты с 6 отводами круговой обмотки при коэффициенте деления частоты, равном 2. На фигуре 4 изображен график выходного напряжения понижающего преобразователя частоты с 8 отводами круговой обмотки при делении частоты в 2 раза. На фигуре 5 изображен спектральный состав выходного напряжения понижающего преобразователя частоты с 8 отводами круговой обмотки при коэффициенте деления частоты, равном 2.