ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЬЯКОВА (ВАРИАНТЫ)

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЬЯКОВА (ВАРИАНТЫ)


RU (11) 2256284 (13) C1

(51) 7 H02M5/297 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2003130705/09 
(22) Дата подачи заявки: 2003.10.20 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2003.10.20 
(45) Опубликовано: 2005.07.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2000121303 А, 10.08.2002. RU 2137283 C1, 10.09.1999. DE 3910118 A, 04.10.1990. 
(72) Автор(ы): Дьяков П.М. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Открытое акционерное общество "Ижевский радиозавод" (RU) 
Адрес для переписки: 426034, г.Ижевск, ул. Базисная, 19, ОАО "Ижевский радиозавод", патентный отдел 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЬЯКОВА (ВАРИАНТЫ)
Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано для регулирования частоты и величины напряжения питания асинхронных электрических двигателей. Преобразователь частоты Дьякова содержит блок управления и группы параллельно соединенных пар последовательно включенных ключей, а также блок фазирования и блок фильтрации, подключенные к входам преобразователя частоты, и трансформаторы в количестве, равном числу фаз входного напряжения, при этом одни выходы блока управления подключены через блок фазирования к управляющим входам одних ключей, другие выходы блока управления последовательно через блок фильтрации и блок фазирования подключены к управляющим входам других ключей. Первичные обмотки трансформаторов подключены к одним соответствующим группам ключей, соединенным с входами преобразователя частоты, а вторичные обмотки разных трансформаторов соединены последовательно, и крайние выводы этих групп обмоток подключены к другим соответствующим группам ключей, соединенным с выходами преобразователя частоты. Кроме того, приведены преобразователи частоты для трех фаз входного и трех фаз выходного напряжения с ключами, выполненными на транзисторах и диодах, и трансформаторами, с разным количеством первичных и вторичных обмоток. Преобразователь частоты позволяет осуществить гальваническую изоляцию, расширение пределов и исключение высших гармоник выходного напряжения при одновременном упрощении схемы, позволяющем снизить массу и габариты преобразователя частоты, а также повысить его надежность и снизить энергопотери, что является техническим результатом. 4 с.п. ф-лы, 4 ил.






ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано для регулирования частоты и величины напряжения питания асинхронных электрических двигателей. 

Известен “Непосредственный преобразователь частоты” (патент РФ №2137283, МПК Н 02 М 5/27, 1999), содержащий двунаправленные входные ключи, объединенные в группы, число которых равно числу выходных фаз преобразователя, соединенные в каждой группе одними своими концами в многофазную звезду по числу фаз входного напряжения. 

Недостатками данного преобразователя частоты являются наличие гальванической связи его входного и выходного напряжений, повышающей вероятность короткого замыкания и ведущей к снижению надежности, что сужает область его применения. Превышение выходного напряжения над входным возможно только за счет запасенной энергии в дросселях и ограничено током нагрузки, требует больших габаритов дросселей и реализуемо для малых мощностей преобразователя частоты. Зависимость выходного напряжения от изменения нагрузки требует постоянного регулирования соотношения периодов переключения входных и выходных ключей, что усложняет схему их управления. Наличие силовых конденсаторов ведет к усложнению схемы и увеличению габаритов преобразователя частоты, к снижению его надежности. Высокий уровень высших гармонических составляющих выходного напряжения отрицательно сказывается на работе подключаемого оборудования.

Известен также двухзвенный преобразователь частоты (Р.Т.Шрейнер. “Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты”. Екатеринбург, 2000, Российская Академия Наук, Уральское отделение, с.277, рис. 13.2), содержащий группы из двух параллельно соединенных пар последовательно включенных ключей в количестве, равном сумме числа фаз входного и выходного напряжений. Однако данный преобразователь также содержит гальваническую связь входного и выходного напряжений, что не позволяет подключить оборудование, требующее изолированного напряжения питания. Другим недостатком является присутствие в выходном напряжении высших гармоник, а номинальное выходное напряжение соответствует напряжению сети, что не позволяет подключать оборудование, питающееся напряжением, отличным от сетевого. В схеме применяется большое количество дросселей и силовой фильтр, содержащий батарею конденсаторов значительной емкости. Все это определяет сложность силовой схемы и системы управления, увеличение габаритов и массы при недостаточной надежности устройства и низких энергетических показателях преобразователя частоты.

Целью изобретения является изменение схемы, реализующее гальваническую изоляцию, расширение пределов и исключение высших гармоник выходного напряжения при одновременном упрощении схемы, позволяющем снизить массу и габариты преобразователя частоты, а также повысить его надежность и снизить энергопотери.

Это достигается тем, что в преобразователь частоты, содержащий блок управления и группы параллельно соединенных пар последовательно включенных ключей, введены блок фазирования, блок фильтрации, подключенные к входам преобразователя частоты, и трансформаторы в количестве, равном числу фаз входного напряжения, при этом одни выходы блока управления подключены через блок фазирования к управляющим входам одних ключей, а другие выходы блока управления подключены последовательно, через блок фильтрации и блок фазирования, к управляющим входам других ключей, а первичные обмотки трансформаторов подключены к одним соответствующим группам ключей, подключенным к входам преобразователя частоты, а вторичные обмотки разных трансформаторов соединены последовательно, и крайние выводы этих групп обмоток подключены к другим соответствующим группам ключей, подключенным к выходам преобразователя частоты. Расширение пределов номинального напряжения достигается за счет соответствующего коэффициента трансформации трансформаторов, а напряжение, отличающееся от номинального, формируется за счет широтно-импульсной модуляции выходного напряжения групп вторичных обмоток трансформаторов с помощью ключей. Предлагаемой схемой преобразователя частоты достигается гальваническая изоляция входного и выходного напряжений, расширяются пределы и исключаются высшие гармоники выходного напряжения при одновременном упрощении схемы, позволяющем снизить массу и габариты преобразователя частоты, а также повысить его надежность и снизить энергопотери.

Также это достигается тем, что преобразователь частоты содержит три трансформатора с двумя первичными и шестью вторичными обмотками, а ключи выполнены на транзисторе и диоде, при этом первичные обмотки каждого трансформатора с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами соединены встречно-параллельно, и эти цепи соединены в звезду или треугольник и подключены к входам преобразователя частоты, а каждые две группы вторичных обмоток трансформаторов с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами соединены встречно-параллельно, и эти три цепи соединены в звезду и подключены к выходам преобразователя частоты.

Также это достигается тем, что преобразователь частоты содержит три трансформатора с двумя первичными и двумя вторичными обмотками, а ключи выполнены на транзисторе и диоде, при этом первичные обмотки каждого трансформатора с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами соединены встречно-параллельно, и эти цепи соединены в звезду или треугольник и подключены к входам преобразователя частоты, а каждый крайний вывод двух последовательно соединенных групп вторичных обмоток разных трансформаторов подключен к каждому фазному выходу преобразователя частоты через два встречно-последовательно включенных ключа, и общие выводы групп обмоток соединены с нулевым выходом преобразователя частоты.

Также это достигается тем, что преобразователь частоты содержит три трансформатора с двумя первичными и двумя вторичными обмотками, а ключи выполнены на транзисторе и диоде, при этом первичные обмотки каждого трансформатора с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами соединены встречно-параллельно, и эти цепи соединены в звезду или треугольник и подключены к входам преобразователя частоты, а крайние выводы двух последовательно соединенных групп вторичных обмоток разных трансформаторов подключены к фазным выходам преобразователя частоты через ключи, соединенные по схеме последовательно включенных активного выпрямителя и автономного инвертора напряжения, и общие выводы групп обмоток соединены с нулевым выходом преобразователя частоты.

На фиг.1 представлена функциональная схема преобразователя частоты для случая, когда число фаз входного и выходного напряжений равно трем.

На фиг.2 представлена функциональная схема преобразователя частоты, выполненного на трех трансформаторах с двумя первичными и шестью вторичными обмотками.

На фиг.3 представлена функциональная схема преобразователя частоты, выполненного на трех трансформаторах с двумя вторичными обмотками.

На фиг.4 представлена функциональная схема преобразователя частоты, выполненного на трех трансформаторах с двумя вторичными обмотками и соединением вторых ключей по схемам активного выпрямителя и автономного инвертора напряжения.

Преобразователь частоты содержит, в случае трехфазного входного и выходного напряжений (фиг.1), блок управления 1, шесть групп параллельно соединенных пар последовательно включенных ключей 2 (соответственно трем фазам входного напряжения и трем фазам выходного напряжения преобразователя частоты), блок фазирования 3, блок фильтрации 4, подключенные к входам преобразователя частоты, и трансформаторы 5, 6, 7 (в количестве, равном числу фаз входного напряжения), при этом одни выходы блока управления 1 подключены через блок фазирования 3 к управляющим входам одних ключей 2, а другие выходы блока управления 1 последовательно, через блок фильтрации 4 и блок фазирования 3 подключены к управляющим входам других ключей 2, и первичные обмотки трансформаторов 5, 6, 7 подключены к одним соответствующим группам ключей 2, соединенным в звезду или треугольник (соответственно числу фаз входного напряжения) и подключенным к входам преобразователя частоты, а вторичные обмотки разных трансформаторов 5, 6, 7 соединены последовательно, а крайние выводы этих групп обмоток подключены к другим соответствующим группам ключей 2, соединенным в звезду и подключенным к выходам преобразователя частоты.

Преобразователь частоты работает следующим образом.

Трансформаторы 5, 6, 7 и ключи 2 под управлением блока управления 1, блока фазирования 3 и блока фильтрации 4 преобразуют переменное трехфазное напряжение на входе преобразователя частоты в переменные напряжения повышенной частоты на выводах групп вторичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7, которые далее преобразуются в трехфазное широтно-модулированное переменное напряжение на выходах преобразователя частоты. Расширение пределов номинального напряжения достигается за счет варьирования коэффициента трансформации трансформаторов 5, 6, 7. Преобразование входных фазных напряжений в переменные напряжения повышенной частоты и переменных напряжений повышенной частоты в широтно-модулированные выходные напряжения осуществляется по мостовым схемам преобразования напряжения с помощью групп ключей 2. Блок фазирования 3 инвертирует сигналы блока управления 1, идущие на управляющие входы ключей 2 первичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7, в зависимости от полярности входных фазных напряжений преобразователя частоты, чем обеспечивает постоянное суммирование переменных напряжений последовательно соединенных вторичных обмоток разных трансформаторов 5, 6, 7 за счет соответствующего фазирования переключений их первичных обмоток, а также инвертирует сигналы блока фильтрации 4, идущие на управляющие входы ключей 2 групп вторичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7 в зависимости от полярности напряжений на выводах этих групп вторичных обмоток, чем исключает влияние переменного вида напряжения на формирование выходного напряжения преобразователя частоты. Блок фильтрации 4 производит коррекцию широтно-модулированных по синусоидальному закону сигналов, поступающих от блока управления 1, в зависимости от текущего изменения скалярной суммы входных фазных напряжений, чем исключает влияние пульсаций амплитуд переменных напряжений на выводах групп вторичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7 на трехфазное выходное широтно-модулированное напряжение преобразователя частоты.

Преобразователь частоты, приведенный на фиг.2, основан на схемном решении фиг.1 и содержит три трансформатора 5, 6, 7 с двумя первичными и шестью вторичными обмотками, при этом ключи 2 выполнены на транзисторах 8 и диодах 9, а первичные обмотки каждого из трансформаторов 5, 6, 7 с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами 2 соединены встречно-параллельно, и эти цепи соединены в звезду или треугольник и подключены к входам преобразователя частоты, а каждые две группы вторичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7 с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами 2 соединены встречно-параллельно, и эти три цепи соединены в звезду и подключены к выходам преобразователя частоты.

Преобразователь частоты, приведенный на фиг.3, основан на схемных решениях фиг.1, 2 и содержит три трансформатора 5, 6, 7 с двумя первичными и двумя вторичными обмотками, а ключи 2 выполнены на транзисторах 8 и диодах 9, при этом первичные обмотки каждого из трансформаторов 5, 6, 7 с соединенными последовательно двумя встречно включенньми ключами 2 соединены встречно-параллельно, и эти цепи соединены в звезду или треугольник и подключены к входам преобразователя частоты, а каждый крайний вывод двух последовательно соединенных групп вторичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7 подключен к каждому фазному выходу преобразователя частоты через два встречно-последовательно включенных ключа 2, а общие выводы групп обмоток соединены с нулевым выходом преобразователя частоты.

Преобразователь частоты, приведенный на фиг.4, основан на схемных решениях фиг.1, 2 и содержит три трансформатора 5, 6, 7 с двумя первичными и двумя вторичными обмотками, а ключи 2 выполнены на транзисторах 8 и диодах 9, при этом первичные обмотки каждого из трансформаторов 5, 6, 7 с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами 2 соединены встречно-параллельно, и эти цепи соединены в звезду или треугольник и подключены к входам преобразователя частоты, а крайние выводы двух последовательно соединенных групп вторичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7 подключены к фазным выходам преобразователя частоты через ключи 2, соединенные по схеме последовательно включенных активного выпрямителя и автономного инвертора напряжения, а общие выводы групп обмоток соединены с нулевым выходом преобразователя частоты.

В преобразователях частоты, собранных по схемам, приведенным на фиг.2, фиг.3 и фиг.4, ключи 2 выполнены на основе транзисторов 8 и диодов 9, соединенных встречно-параллельно, а первичные обмотки трансформаторов 5, 6, 7 подключены через ключи 2 к входам преобразователя частоты по двухполупериодным схемам преобразования напряжения. В преобразователе частоты, приведенном на фиг.2, группы вторичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7 подключены через ключи 2 к выходам преобразователя частоты по двухполупериодным схемам преобразования напряжения. В преобразователях частоты, представленных на фиг.3 и фиг.4, используются две группы вторичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7 для формирования трех фаз выходного напряжения, при этом в преобразователе частоты выходное напряжение формируется из напряжения повышенной частоты в первом случае (фиг.3) - с помощью пар встречно-последовательно включенных ключей 2, соединяющих каждый крайний вывод групп вторичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7 с каждым фазным выходом преобразователя частоты, а во втором случае (фиг.4) - с помощью ключей 2, соединенных по схеме активного выпрямителя и автономного инвертора напряжений, включенных последовательно. В преобразователе частоты, представленном на фиг.4, блок фильтрации 4 осуществляет коррекцию управляющих широтно-модулированных сигналов ключей 2, соединенных в автономный инвертор напряжения, а блок фазирования 3 обеспечивает синхронную работу ключей 2, соединенных в активный выпрямитель и автономный инвертор, с ключами 2 первичных обмоток трансформаторов 5, 6, 7.

Гальваническая изоляция выходного напряжения от входного напряжения и увеличение пределов выходного напряжения позволяют расширить область применения преобразователя частоты, например, для привода объектов, требующих по условиям эксплуатации и техники безопасности гальванически изолированного, отличающегося от сетевого напряжения питания. Исключение дополнительных гармонических составляющих выходного напряжения повышает КПД привода, увеличивает срок службы электродвигателей. Снижение массы и габаритов преобразователя частоты уменьшает расход материалов на изготовление, затраты на транспортирование, повышает удобство при эксплуатации. Повышаются энергетические показатели за счет уменьшения потерь в реактивных элементах, дросселях и конденсаторах, которые отсутствуют в предлагаемой схеме преобразователя частоты, а также за счет возможности рекуперации энергии. Упрощение схемы, исключение дросселей, силовых конденсаторов увеличивает надежность преобразователя частоты и ресурс его работы. 

Использование данного преобразователя частоты позволит исключить из частотно-регулируемого питания асинхронных электродвигателей, требующих гальванически изолированного напряжения, громоздкие и дорогостоящие трансформаторы частотой 50 Гц. Например, в электроприводе центробежных погружных насосов для добычи нефти и ручных инструментов строительной отрасли.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Преобразователь частоты, содержащий блок управления и группы параллельно соединенных пар последовательно включенных ключей, отличающийся тем, что в него введены блок фазирования и блок фильтрации, подключенные к входам преобразователя частоты, и трансформаторы в количестве, равном числу фаз входного напряжения, при этом одни выходы блока управления подключены через блок фазирования к управляющим входам одних ключей, другие выходы блока управления последовательно через блок фильтрации и блок фазирования подключены к управляющим входам других ключей, первичные обмотки трансформаторов подключены к входам преобразователя частоты через одни соответствующие группы ключей, собранные по мостовым схемам преобразования напряжения и объединенные в звезду или многоугольник, а вторичные обмотки разных трансформаторов соединены последовательно и крайние выводы этих групп обмоток подключены к выходам преобразователя частоты через другие соответствующие группы ключей, собранные по мостовым схемам преобразования напряжения и объединенные в звезду.

2. Преобразователь частоты, содержащий блок управления и группы последовательно включенных ключей, отличающийся тем, что в него введены блок фазирования и блок фильтрации, подключенные к входам преобразователя частоты, и трансформаторы в количестве, равном числу фаз входного напряжения, при этом одни выходы блока управления подключены через блок фазирования к управляющим входам одних ключей, другие выходы блока управления последовательно через блок фильтрации и блок фазирования подключены к управляющим входам других ключей, ключи выполнены на транзисторе и диоде, а трансформаторы - с двумя первичными и шестью вторичными обмотками, при этом первичные обмотки каждого трансформатора с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами соединены встречно-параллельно и эти цепи соединены в звезду или многоугольник и подключены к входам преобразователя частоты, а вторичные обмотки разных трансформаторов соединены последовательно, причем каждые две такие группы вторичных обмоток трансформаторов с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами соединены встречно-параллельно и эти цепи соединены в звезду и подключены к выходам преобразователя частоты.

3. Преобразователь частоты, содержащий блок управления и группы последовательно включенных ключей, отличающийся тем, что в него введены блок фазирования и блок фильтрации, подключенные к входам преобразователя частоты, и трансформаторы в количестве, равном числу фаз входного напряжения, при этом одни выходы блока управления подключены через блок фазирования к управляющим входам одних ключей, другие выходы блока управления последовательно через блок фильтрации и блок фазирования подключены к управляющим входам других ключей, ключи выполнены на транзисторе и диоде, а трансформаторы - с двумя первичными и двумя вторичными обмотками, при этом первичные обмотки каждого трансформатора с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами соединены встречно-параллельно и эти цепи соединены в звезду или многоугольник и подключены к входам преобразователя частоты, а вторичные обмотки разных трансформаторов соединены последовательно, причем каждый крайний вывод этих двух последовательно соединенных групп вторичных обмоток трансформаторов подключен к каждому фазному выходу преобразователя частоты через два встречно-последовательно включенных ключа, а общие выводы групп обмоток соединены с нулевым выходом преобразователя частоты.

4. Преобразователь частоты, содержащий блок управления и группы последовательно включенных ключей, отличающийся тем, что в него введены блок фазирования и блок фильтрации, подключенные к входам преобразователя частоты, и трансформаторы в количестве, равном числу фаз входного напряжения, при этом одни выходы блока управления подключены через блок фазирования к управляющим входам одних ключей, другие выходы блока управления последовательно через блок фильтрации и блок фазирования подключены к управляющим входам других ключей, ключи выполнены на транзисторе и диоде, а трансформаторы - с двумя первичными и двумя вторичными обмотками, при этом первичные обмотки каждого трансформатора с соединенными последовательно двумя встречно включенными ключами соединены встречно-параллельно и эти цепи соединены в звезду или многоугольник и подключены к входам преобразователя частоты, а вторичные обмотки разных трансформаторов соединены последовательно, причем крайние выводы этих двух последовательно соединенных групп вторичных обмоток трансформаторов подключены к фазным выходам преобразователя частоты через ключи, соединенные по схеме последовательно включенных активного выпрямителя и автономного инвертора напряжения, а общие выводы групп обмоток соединены с нулевым выходом преобразователя частоты.






ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru