МАГНИТНО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ УТРОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
MAGNETIC SEMICONDUCTOR FREQUENCY TRIPLER

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано в качестве статического регулируемого источника питания электротехнологических установок: для индукционного нагрева, в качестве источников питания к станкам электроэрозионной обработки и др.
Известен непосредственный утроитель частоты с трехфазным входом и однофазным выходом, выбранный в качестве аналога (см. например, авт. свид. №281628, Б.И., №29, 1970), содержащий трехфазную группу из встречно включенных тиристоров, соединенных по нулевой схеме, выход которой подключен к первичной обмотке трансформатора и нулевому выводу сети.
Недостатками являются: низкие энергетические показатели, свойственные преобразователям с естественной коммутацией тиристоров, ограниченный диапазон регулирования при активно-индуктивной нагрузке, дополнительное потребление реактивной мощности.
Известен магнитно-тиристорный умножитель частоты в нечетное число раз с непосредственной связью, выбранный в качестве аналога (см. например, авт. свидетельство №819908, Б.И. №13, 1981), содержащий трансформатор с первичными обмотками, подключенными к трехфазной сети и биполярные тиристоры, подсоединенные ко вторичным обмотками с нулем, причем между нулем и общей точкой тиристоров установлена нагрузка.
Недостатками аналога являются: низкие энергетические показатели, свойственные преобразователям с естественной коммутацией тиристоров, ограниченный диапазон регулирования при активно-индуктивной нагрузке.
Известен m-фазный магнитно-полупроводниковый утроитель частоты, выбранный в качестве прототипа (см.например, авт. свидетельство №587574, Б.И., №1, 1978), содержащий в каждой фазе пару биполярных ключей, например тиристоров, образующих m-лучевую звезду, и односердечниковые дроссели насыщения, подключенные параллельно с биполярными ключами.
Недостатками прототипа являются: низкие энергетические показатели, свойственные преобразователям с естественной коммутацией, дополнительное потребление реактивной мощности самим регулирующим органом, ограниченный диапазон регулирования при активно-индуктивной нагрузке.
Задачей изобретения является: повышение коэффициента мощности, независимость диапазона регулирования от характера нагрузки, снижение массы и габаритов.
Поставленная задача достигается тем, что в магнитно-полупроводниковый утроитель частоты, содержащий трехфазную сеть с дросселями насыщения в каждой фазе, однополупериодные ключи, шунтирующие обмотки дросселей насыщения, и однофазную нагрузку, подключенную между звездой обмоток и нулевым проводом, введены блок управления на базе широтно-импульсного модулятора, а однополупериодные ключи выполнены полностью управляемыми и установлены параллельно нагрузке и обмоткам каждого дросселя насыщения, а шунтирующие ключи связаны с ключом, шунтирующим нагрузку, причем управляющие входы ключей соединены с блоком управления.
При этом, однополупериодные ключи выполнены на тиристорах с отсекающими диодами и введены конденсаторы, которые установлены между точками соединения шунтирующих обмотки тиристоров с отсекающими диодами и тиристором с отсекающим диодом, шунтирующим нагрузку.
k
k
Сущность изобретения заключается в том, что замыкание ключей на тиристорах с отсекающими диодами, шунтирующих обмотки дросселя насыщения, осуществляется в начале положительного полупериода каждой фазы сети на время α≤π/3, а с момента его размыкания сердечник каждого дросселя насыщения перемагничивается и насыщается в момент β=2π-α,
k
где α - длительность замкнутого состояния (угол) регулирующего ключа. На выходе формируется напряжение из кратных трем гармоник ЭДС отдельных фаз, а все другие гармоники при сложении взаимно компенсируются и к нагрузке прикладывается напряжение утроенной частоты.
Тиристоры с отсекающими диодами, шунтирующие обмотки дросселей насыщения, являются регулирующими ключами, а тиристор с диодом, установленный параллельно нагрузке, выполняет роль нулевого ключа.
k
При активно-индуктивной нагрузке с момента α=α размыкания регулирующего ключа нагрузка закорачивается нулевым ключом, обеспечивая протекание тока нагрузки в прежнем направлении, при этом происходит свободный обмен энергией между сетью и нагрузкой.
На фиг.1 приведена схема магнитно-полупроводникового утроителя частоты с однополупериодными полностью управляемыми ключами, например, на транзисторах с согласующим трансформатором,
на фиг.2 - схема на тиристорных ключах, близких аналогах транзисторным ключам, с принудительной коммутацией тиристоров,
на фиг.3 показаны временные диаграммы, поясняющие принцип работы утроителя частоты при активно-индуктивной нагрузке.
Магнитно-полупроводниковый утроитель частоты содержит подключенные к трехфазной сети три односердечниковых дросселя 1, 2, 3 насыщения, обмотки 4, 5, 6 которых зашунтированы однополупериодными ключами 7, 8, 9 с управлением от блока 10 управления. Однофазная активно-индуктивная нагрузка 11, подключенная между звездой обмоток 4, 5, 6 и нулевым проводом 0 зашунтирована однополупериодным ключом 12.
В ключах 7, 8, 9 на тиристорах с отсекающими диодами между точками их соединения одной обкладкой подключены конденсаторы 13, 14, 15, а второй обкладкой - с тиристором и отсекающим диодом (нулевым вентилем) 12, шунтирующим нагрузку 11. Блок 10 управления ключами выполнен на базе широтно-импульсного модулятора с широкими импульсами для транзисторных ключей или с высокочастотным заполнением - для тиристорных ключей с принудительной коммутации.
k
Рассмотрим принцип работы магнитно-полупроводникового утроителя частоты при максимальном угле α=α=π/3=60° (фиг. 1 или 2).
Сущность заключается в следующем:
ki
ki
в начале каждого положительного полупериода магнитопроводы дросселей 1, 2, 3 насыщены в предыдущий полупериод. Их перемагничивание происходит на интервалах: 1-π/3≤α≤5π/3, 2-π≤α≤7π/3, 3-5π/3≤α≤3π(π) на величину индукции размагничивания ΔB. Для примера на фиг. 3, в иллюстрирован процесс перемагничивания сердечника дросселя 1 насыщения. Аналогично происходит перемагничивание в магнитопроводах дросселей 2, 3 насыщения со сдвигом по времени, указанном выше. Угол насыщения сердечников дросселей насыщения однозначно связан с углом коммутации соотношением β=2π-α.
r
k1
k2
k2
В начале полупериода фазы А в момент времени а - 0 замыкается регулирующий ключ 7, закорачивающий обмотку 4 дросселя 1 насыщения. Сердечник дросселя 1 насыщения остается насыщенным с индукцией - B (фиг.3, в). Через ключ 7 потечет ток: фаза А - ключ 7 - нагрузка 11 - нуль (0) и нагрузке 11 прикладывается напряжение 16 (фиг.3, б). В момент α=α=π/3, задаваемый блоком 10 управления, размыкается ключ 7, дроссель 1 насыщения начинает размагничиваться на величину ΔB и одновременно в момент β=2π-α (фиг.3, г) насыщается сердечник дросселя 2 насыщения. На интервале 2π/3≤α≤π ток вначале протекает через обмотку 5 насыщенного дросселя 2, а затем через замкнутый ключ 8 и к нагрузке 11 прикладываются отрезки синусоиды напряжния 17, 18. В момент α=π меняется полярность напряжения фазы A и одновременно размыкается ключ 8 и насыщается сердечник дросселя 3. Аналогично на интервале π≤α≤5π/3 ток вначале протекает через обмотку 6 насыщенного дросселя 3, а затем через замкнутый ключ 9 и к нагрузке 11 прикладываются отрезки синусоиды напряжния 19, 20 (фиг.3, д). В диапазоне 5π/3≤α<2π ток протекает по обмотке 4 насыщенного дросселя 1 насыщения, формируя на нагрузке 1 отрицательную полуволну напряжения 21 (фиг.3, б).
Следовательно, за период напряжения 0≤α≤2π, например, фазы A, на нагрузке 11 формируется выходное напряжение 22 утроенной частоты (фиг.3, е).
k
k1
При регулировании напряжения 22 в активно-индуктивной нагрузке 11 на интервале 0≤α≤α по нагрузке 11 протекает ток 23 сети. При угле α=α коммутации (на фиг.3, б отмечен тонкой линией) в противофазе с регулирующим ключом 7 открывается ключ 12 (нулевой вентиль), закорачивая нагрузку 11. По короткозамкнутому контуру нагрузки продолжает протекать ток 24, обусловленный запасенной электромагнитной энергией, спадая по экспоненте.
k2
k2
2
2
В момент β=2π-α насыщения сердечника дросселя 2 отпирается регулирующий ключ 8, по которому ток 25 избыточной электромагнитной энергии рекуперируется в сеть, при этом ключ 8 в момент α=γ размыкается и ток 26 переходит в обмотку 5 насыщенного дросселя 2, протекая в интервале γ≤α≤φ.
Далее процессы протекают аналогично: цифрами 27 и 28 отмечены токи сброса избыточной электромагнитной энергии; цифрой 29 обозначен ток нагрузки 11, состоящий из тока 23 сети, тока 24 короткозамкнутого контура нагрузки и тока 26, протекающего по обмотке насыщенного дросселя. Видно, что ключ 12, выполняющий функцию нулевого вентиля, работает с утроенной частотой.
В представленном на фиг.2 магнитно-полупроводниковом утроителе частоты в качестве полностью управляемых однополупериодных ключей применены тиристоры с отсекающими диодами с конденсаторной коммутацией. Два ключа 7 и 12, обведенные пунктирной линией, вместе с конденсатором 13 фактически являются аналогом транзисторного ключа.
k1
2
В исходном состоянии конденсаторы 13, 14, 15 заряжены полярностью, показанной на фиг.2. Поясним как происходит коммутация и перезарядка конденсаторов. Предположим открыт тиристор ключа 7 и по нагрузке 11 протекает ток 23, потребляемый из сети. При угле α=α коммутации на тиристор ключа 12 с блока 10 поступает отпирающий импульс. Конденсатор 13 обратным напряжением запирает тиристор ключа 7 и перезаряжается по цепи: + - тиристор ключа 7 - нагрузка 11 - сеть - диод ключа 7 - минус, полярностью, приведенной в скобках. После отпирания диода ключа 12 ток 24 протекает по короткозамкнутому контуру нагрузки. В момент насыщения дросселя 1 на тиристор ключа 7 с блока 10 управления поступает отпирающий импульс, и он повторно откроется, конденсатор 13 обратным напряжением (в скобках) закроет тиристор ключа 12, ток 25 спадает до нуля в момент α=γ, и тиристор ключа 7 закроется. Перезарядка конденсатора 13 происходит током 29 нагрузки 11 по контуру: (+) - тиристор ключа 7 - нагрузка 11 - диод ключа 7 - (-), подготовившись таким образом к очередной коммутации. Аналогично перезаряжаются конденсаторы 14 и 15.
Таким образом, в рассматриваемом магнитно-полупроводниковом утроителе частоты регулирование выходного напряжения обеспечивается в широком диапазоне независимо от параметров и характера нагрузки, синфазно с сетевым напряжением, при этом на 8-12% повышается коэффициент мощности, снижаются масса и габариты дросселей насыщения, повышается КПД, т.к. из сети потребляется импульсная мощность. Габаритная мощность такого утроителя частоты может измеряться сотнями и тысячами киловатт.