Магнито-полупроводниковый преобразователь частоты

Магнито-полупроводниковый преобразователь частоты

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

-ноя

®нонне rgp y йл р

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт, свид-ву (22) Заявлено 250576 (21) 2363008/24-07 (51)М. Кл. с присоединением заявки М (23) Приоритет

Н 02 М 5/27

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий

Опубликовано 25.05.80. Бюллетень Мо 19

I (53) УДК62 . 3i4..27(088, 8) Дата опубликования описания 26.0580 (72) Автор изобретения

A.Ñ. AAHBapr (71) Заявитель (54 ) МАГНИТНО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ЧАСТОТЫ

Изобретение относится к преобразовательной технике и может использоваться в электротехнических преобразовательных установках и системах электропривода.

Известны статические вентильные преобразователи частоты с непосрЕдственной связью и принудительной (искусственной) коммутацией вентилей, в которых каждая фаза нагрузки подключается к фазам питающей сети или к выводам преобразователя числа фаз циклически через равные промежутки времени (1) и (2) .

Недостатки указанных преобразователей — -сравнительная сложность схем из-за значительного количества управляемых элементов, например тиристоров в силовой схеме и в узлах принудительной коммутации сложность управления, так как такими элементами необходимо управлять в определенной последовательности (многоканальное управление); отличие частоты управления от выходной частоты, что приводит к необходимости вводить в преобразователь дополнительные устройства для сравнения частоты питания с требуемой частотой и выработки по результатам этого сравнения управляющих сигналов; относительный диапазон изменения частоты управления должен быть шире, чем выходной частоты, что также усложняет систему управления.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является магнитно-полупроводниковое устройство, содержащее подключаемые к многофазной сети идентичные трансформаторы с магнитосвязанными сердечниками,число которых кратно числу фаэ сети, причем одна иэ обмоток каждого трансформатора подключена к вентилям и к управляемому ключу (31.

Это устройство содержит значительно меньше управляемых ключевых элементов, Однако оно также сравнительно сложно .

25 Пель йзобретения - упрощение прео бр аз о в ат ел я.

Поставленная цель достигается тем, что одни одноименные концы упомянутых обмоток объединены в од30 ну точку, другие концы через иден736295

30

60 тично включенные вентили — в другую т очку, а управл яемый ключ включе н между этими точками.

На фиг, 1 изображена схема магнитно-полупроводникового элемента„ на фиг, 2 — график работы магнитнополупроводникового элемента; на фиг ° 3 — пример выполнения схемы преобразователя с многофазной и однофазной нагрузками; на фиг. 4 токи цепей; на фиг, 5 — график магнитных потоков трансформаторов; фиг, 6 поясняет работу преобразователя на двигательную нагрузку; на фиг ° 7 — пример выполнения схемы преобразователя с однофаэной нагруз— кой.

Магнитно-полупроводниковый элемент представляет собой управляемый трансформатор, содержащий первичную обмотку 1, подключенную через нагрузку 2 к источнику синусоидального напряжения угловой частоты ж,, вторичную обмотку 3 и обмотку 4 управления, замкнутую вентилем 5 и полностью управляемым ключом б (например транзистором), Сопротивление нагрузки 2 много меньше индуктивного сопротивления обмотки 1, если сердечник трансформатора не насыщен, и много больше, если сердечник насыщен. Кривая намагничивания сердечника трансформатора — зависимость магнитного потока Ф or намагничивающей силы F — близка к прямоугольной и изображена (фиг. 2) кривой 7.

Если нагрузка к обмотке 3 не подключена, то при разомкнутом ключ:е 6 через нагрузку 2 течет незначительный ток намагничивания, а магнитный поток сердечника изменяется синусоидально, как показано на фиг. 2 кри— вой 8, Максимальный поток Ф ненасыщенного трансформатора выбирается немногим меньше потока насыщения

Ф, как показано на фиг. 2„ При постоянно замкнутом ключе б вентиль

5 обуславливает самонасыщение трансформатора, падение напряжения на обмотке 1 незначительно и практически все напряжение приложено к нагрузке 2, Полупериод 0 (cut 4 Х, в течение которого вентиль 5 может проводить ток, является рабочим; второй полупериод, когда вентиль не проводит, является нерабочим, Коммутация ключа 6 влияет на работу схемы практически только в рабочем полупериоде °

Если в момент wt= 5, рабочего полупериода, когда магнитный поток сердечника равен Ф, замкнуть ключ 6, то обмотка управления замыкается накоротко через проводящий вентиль.

Так как падение напряжения на проводящем вентиле незначительно,магнитный поток практически перестает изменяться, как показано на фиг ° 2 кривой 9. При этом через вентиль течет ток, показанный кривой 10.Так как после замыкания ключа и ндуктивное сопротивление обмот к и 1 ст ановится незначительным, по нагрузке

2 течет ток, показанный на фиг.2 кривой 11.

Если ключ 6 остается замкнутым до конца рабочего полупериода, то после изменения знака приложенного напряжения в момент ц 1=тс вентиль 5 перестает проводить и цепь управления практически размыкается, Магнит— ный поток сердечника начинает воз— растать, достигает к моменту wt-{T>d1 значения потока насыщения Ф и далее

9 изменяться не может до конца периода. Поэтому от момента wt.(+ ) до конца периода по нагрузке 2 опять течет ток. В интервале г и 1 27сключ

6 размыкаетсн и далее процесс повторяется. Если ключ 6 размыкается в нерабочем интервале, т,е. без разрыва цепи, то магнитный поток и ток в нагрузке 2 изменяются так, как показано на фиг. 2 сплсшными кривыми 9 и 11, а сердечник перемагничивается по частному циклу GT

Фз до Ф . В этом режиме схема (фиг. 1) работает аналогично магнитно-вентильному усилителю.

Если же ключ 6 размыкать в момент wt - P, когда вентиль находит ся в проводящем состоянии, то с этого момента до конца рабочего полупе— риода магнитный поток уменьшается до значения Ф и далее возрастает как показано на фиг. 2 пунктирным продолжением кривой 9; насыщение наступает позже момента ш1= (Лы) Спответственно ток 1 „в нагрузке 2 течет меньший интервал времени, как показано на кривой 11 пунктиром,Таким образом, при размыкании ключа с разрывом тока сердечник перемагничивается по частному циклу от Ф и до Ф, а кривая тока в нагрузке

2 несимметрична °

Проанализировав работу одного управляемого трансформатора, рассмотрим схему преобразователя (фиг „3) . Он содержит восемь идентичных управляемых трансформаторов, первичные обмотки 1 которых подключены через нагрузки 2 к источнику питания, а вторичные обмотки 3 соединены последовательно, образуя выходную обмотку Н-Н. Обмотки 4 управ— ления соединенные с вентилями 5, подключены параллельно к одному полностью управляемому ключу б . Преобразователь подключен к восьмифаэному источнику напряжения с нулевым проводом (обозначен 0 ).

Работу схемы фиг, 3 поясняют фиг, 4 и 5, Сплошными синусоидальными линиями (фиг. 4) показаны токи первичных обмоток трансформаторов при постоянно замкнутом ключе 6, а сплошными синусоидальными линиями

? 36295

20

35

S5 (фи г, 5 i изображены сину <.оидальные

>аг нитные потоки трансформаторов при постоянно разомкнутом ключе, Рассмотрим работу восьми управляемых трансформаторов, когда ключ з амык аетс я на пол периода частоты питания в интервале от и> -d, - г до

9

«»- Р= л- . Интервал, в течение которого ключ э минут, для нагляднос I è показан горизонтально заштрихованным прямоугольником в нижней части фиг, 5, Одно деление горизонтального мал»таба на фиг. 4 и 5 равно 3 .

Момент о>, замыкания ключа попадает для первого трансформатора в рабочий полупериод, когда вентиль находится в проводящем состоянии, а магнитный поток равен Ф . До конца рабочего полупериода щ(=.2 Н маг нитный поток не изменяется, как показано на фиг. 5 штрих-пунктирной линией, Поэтому в интервале — TL" LI>t <2 >>. по

41

8 нагрузке 2 первого трансформатора течет ток, показанный на фиг. 4 штрих-пунктирной линией. После

UJ t= 2 Л вентиль пере ст ает проводить, магнитный поток возрастает и к моменту = 1 достигаег значения насышения Ф . С этого момента до начала рабочего полупериода (><>1 = >г ) поток изменяться не может и по первичной обмотке опять течет ток, Далее вентиль начинает проводить, магнитный поток уменьшается, к моменту замыкания ключа достигает первоначального .значения Ф, и процесс повторяется.

Магнитный поток второг-о трансформатора, показанный на фиг. 5 точечной линией, в момент 0, имеет значение Фн. Пока вентиль проводит, т,е, до конца рабочего полупериода, - Е

u r- — >(поток сердечника не изменя8 ется, а по нагрузке 2 второго трансформатора течет ток — точечная линия на фиг, 4. Далее магнитный поток возрастает, после >< (-. а д сердечни к насыщает ся и остается насышенным до начала рабочего полупер иода

t»t= — "я т, е. в интервале — Я.;Oг>t< т<

8 8 по нагрузке опять течет ток. С момента EUt- — 31 вентиль начинает про>IO

P водить, магнитный поток уменьшается, достигается к моменту о. первоначального значения, и процесс повторяется, Магнитный поток третьего трансформатора показан на фиг, 5 линией тире-две точки . Момент d, замыкания ключа попадает в конец нерабочего полу периода, когда сердечник насыщен, С начала рабочего полупериода поток может уменьшаться лишь на очень малую величину, например от Ф до Ф„„ соответствующую падению напряжения на проводящем вентиле и активном сопротивлении обмотки 4, т ° e, остается практически неизменным до момента р размыканий ключа. В момент вентиль находится еще в проводящем состоянии, и после разрыва цепи обмотки 4 магнитный поток уменьшается до значения Ф„ затем возрастает, после <>4= а л сер8 дечник насыщается и, процесс повторяется. Таким образом, в течение всего периода, кроме интервала л < Wt<

>

4 — It магнитный поток третьего трансформатора не изменяется, а по его нагрузке 2 течет ток, показанный линией тире-две точки на фиг.4.

Магнитный поток четвертого трансформатора показан на фиг. 5 линией два тире- гочка . Момент ы. попадает для четвертого трансфорМатора также в нерабочий полупериод, когда сердечник насыщен. С начала рабочего полупериода магнитный поток может уменьшиться лишь на малую величину от Ф до Ф„и не изменяется э цо момента р, после чего уменьшается, достигая минимума Ф„ в конце рабочего полупериода, и затем опять возрастает. К моменту U>t= Лсердеч9 ник насыщается и процесс повторяется. Таким образом, изменение потока имеет место лишь в интервале

- >< - ш < -м остальную часть периода

8 8 > по нагрузке 2 четвертого трансформатора течет ток, показанный линией два тире-точка (фиг. 4) „

Магнитный поток пятого трансформатора показан на фиг, 5 линией тире-три точки . MOMPHT 0 TajoKe попадает в нерабочий полупериод, и . магнитный поток возрастает, достигая значения насыщения к моменту и 1 =

-э- . >г и оставаясь затем постоянным.

Я

С начала рабочего полупериода

Ф, после чего начин ает уменьшатьс я, б > в конце рабочего полу периода»>1= >г достиrает минимума (-Ф1), затем воз растает и процесс посторяется, Таким образом, магнитный поток остается неизменным и по нагрузке 2 пятого трансформатора течет ток в интервале Л6 ut< -„K (линия тире-три точки на фиг. 4), Магнитный поток шестого трансформатора, показанный на фиг, 5 линией два тире — две точки, изменяется аналогично, но так как ключ включается близко к началу нерабочего полупериода (mt= — z), а выключаетIO ся спустя лишь малый интервал — Л

8 после начала рабочего полупериода (t= a >г ), сердечник успевает почти полностью перемагничиваться, Магнитный поток не изменяется и, следовательно, ток по нагрузке 2 шестого трансформатора может течь лишь в коротком интервале <3t !»t<в л — лиИ ния два тире-две точки на фиг, 4.

736295

4»

Магнитный поток седьмого транс— форматора показан на фиг, 5 мелкспунктирной линией. Значение потока (-ФЕЕ), достигнутое к моменту б(, сстается постоянным на коротком интервале — Л4!е>1< <Л до конца рабочего лс-!

8 лупериода. Затем поток возрастает к моменту р достигает значения насыщения, остается неизменным до «>-!= —, тг после чего уменьшается и процесс2 повторяется. Ток в нагрузке 2 сець— мого трансформатора течет только в

Е<

У ° 6, вух коротких интервалах — л(!».1<,, н и . Ъ< Е<>1<, как показано на фиг. 4 мелкопунктирной линией, Магнитный поток восьмого трансформатора показан на фиг, 5 пунктирной линией, От момента <>" до конца рабочего полупериода (urt - 6 ЕГ ) поток не изменяется и ло нагрузке

2 те ет ток - пунктирная кривая на фиг. 4. Затем лоток возрастает, в момент б сердечник насыщается и oñтается насыщенным до <<>1= — Л „Б этом

6 в интервале Го лервичнои обмотке опять течет ток, Далее поток уменьшается и процесс повторяется, Сумма магнитных потоков всех трансформаторов - потокосцеплен:ие обмотки Н-Н, определяющее напряжение на ее зажимах — показана на фиг,5

КРивой 12. ПотокосЦеЕелеиие содержнт постоянную составляющую, обусловленную вентилями, и переменную сосгавл яющую, Пер емен на я сост авл яющая име— ет максимум в момент раэ мыкан ия, а минимум — в момент замыкания клоча.

Следовательно, изменяя положение эамкнутогo состояния ключа внутри периода, можно изменять фазу переменной составляющей потокосцепления и соответственно фазу напряжения на зажимах Н-Н, Таким образом„пре-образователь может р ботать фаэовращателем, обеспечивая пл lííoå регулирование фазы напряжения на з ажи4QK Н-Н в пределаx 3600 .

Если интервал замкнутого состояния ключа изменяет свое положение от периода к периоду частоты пиl à.— ния, т,е, если час.!Ота коммутации не равна частоте литания, то фаза напряжения на зажимах Н-Н также плавно изменяется, т.е. частота выходного напряжения равна частоте коммутации, Так как выхОднОе е>аflpR"жение имеет частоту и фазу, рав,ную частоте и фазе :<оммутации ключа, а мощность в нагрузку поступает от исгочника питания, преобразователь является усилителем мощности, Ток в нулевом проводе — сумма токов fн первичных обмоток трансформаторов -.изображенный на фиг. 4 кривой 13, представляет собой периОдическую кривую, у которой частота и фаза основной гармоники опрееляется частотой переключения улзавляемого ключа 6 ., Следовательно, .<агруэка может быть BKJII<>÷åíà и в нулевой провод, Б качестве нагру GK 2 удобно HCпользовать фазные обмотки многофазньЕх электрических машин, например асинхронных двигателей. Пусть на статоре машины расположены восемь фаэных обмоток, витки которых синусоидально распределены по окружности статора со сдвигом на 1/8 его расточки. При питании этих обмоток токами,, показанными на фиг. 4, результирующая намагничивающая си— ла (и лри равномерном воздушном зазоре магнитное пол- машины) имеет синусоидальное распределение по растопке статора, как показано на фиг, б для пяти Госледовательных моментОВ От це t 0 дО u>t - < ПО гopH3oH л таль!>ОЙ ocи X на фиг, 6 oт>ЕОжее!ы пространственные координаты ста:ора в угловых единицах.. е<ак видно иэ фиг. б, магнитное поле многофаэной ма Еины IpH питании ее оТ преобразователя фиг. 3 представляет собой бегущую волну, положение и скорость которой определяется управлением ключом 6 . Следовательно„ преобразователь (иг, 4) позволяет осуществить частотное регулирование скорости привода пере— менногo тока с ломо>цью лишь одного управляемого элемента. Таким образом, преобразователь (фиг, 3) может испол>ьзoе! а е вся д>! е! литани я как мнО ! Офаэ нОЙ т ак и ОднОфаз ной H BÃp 3

KH.

Работа преобразователя (фиг, 3) рассмотрее>а t ÿ простоты лри литании От вссьмифаэнol"0 источника.(Зче— вид о, работа его не изменяется и лри литании от четырехфазного источника. есеЕ-.! у половины трансформаторов измени TI= B3àH!<íoå направление первичных н управляющих обмоток.

; =е! и и с..с. фаэ схем;.=: болЬше чисхЕа фаз ПЕ> т ающег0 и алряже ни p < TG первичЕ>ые обмотки трансформаторов соединены >,оследое>а=елhHO, Образуя преобразователь -ее сла фаэ, На фиг,7 показан пример схемы! которая как и фиг, 3 содержит восемь управляемых трансформаторов, но питается от двухфазного источника. 1<;аждый трансформатор ooäåpæHT две первичные обмотки 14 и 15, Числа витков первичных обмо= îê 14 распределены ло сердечникам трансформаторов по синуСО ИДаЛ Ь ЕПЭМ,> 3 а КОНУ, rJ. >ЕНСЕ! а обмоток 15 — по коси нусоидальному закону, При подключении последовательно с:оециненных обмоток ) 4 к г>ервой фазе A-Х литакщего двухфазного напряжения, а обмсток 15 -. Ko вторОй фазе Б-у и i!pH разомЕ<нутОм ключе б напряжения выходных обмотох

3 образуют симметричную восьми фазную систему,, т.e, их сумма на выходных

736?95

10 зажимах Н-Н равна нулю,При коммутации ключа 6 работа схемы (фиг. 7) принципиально не отличается от работы схемы. (фиг. 3) .

Форчула изобретения

Магнитно-п злупроводниковый преобразователь частоты, содержащий подключаемые к многофазной сети идентичные трансформаторы с магнитоизолированными сердечниками, число которых кратно числу фаз сети, причем одна из обмоток каждого трансформатора подключена х вентилям и к управляемому ключу, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью упрощения, одни одноименные концы упомянутых обмоток объединены в одну точку, другие концы через идентично включенные вентили — в другую точку, а управляемый ключ включен между этими точками.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1, Сб. Современные задачи пре(О образовательной техники, ч. 2

К., 1975 с. 132-140, 2. Патент Японии 56 В 3

М 48-31408, 1973, 3. Тонкаев В.Е. и др. Магнитнополупроводниковые модуляционные преобразоватепи частоты. К., Наукова Думка, 1970, с. 182-183.