RU2581594C2 - Improved frequency down-converter - Google Patents

Abstract

FIELD: electronic equipment.

SUBSTANCE: invention can be used in systems of electric drive with reduced rotation frequency, as well as in dewaxing of oil wells. Method is used in frequency converter control multiphase reversible bridge connected to secondary circular winding of transformer with rotating magnetic field, where pulse-phase control system ensures growing delay of key control signals, switching branches of circular winding, relative to phase supply mains. Switching is performed between pairs of branches, at moment of equality of their EMF, which provides low frequency fundamental harmonic of output voltage and current curve there is no gap in circular winding taps switching.

EFFECT: technical result is increased reliability due to absence of rupture of current in power circuit, higher quality of output voltage and high electromagnetic compatibility of device with supply mains.

1 cl, 3 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретение.The technical field to which the invention relates.

Изобретение относится к силовой электротехнике и может быть использовано в системах депарафинизации нефтяных скважин и электропривода с пониженной скоростью вращения.The invention relates to power electrical engineering and can be used in systems for dewaxing oil wells and electric drive with reduced speed.

Уровень техники.The level of technology.

Из уровня техники 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.The prior art three-phase frequency converter [RF patent No. 2217857], containing two sets connected to a bridge circuit and connected in parallel to the thyristors, the inputs of each set of thyristors are connected to a three-phase voltage source of increased frequency, and the output of each set of thyristors is connected to an artificial circuit switching, with the output of the first set of thyristors connected to the beginning of the first primary winding of the transformer with a rotating magnetic field, the output of the second set of thyristors li ne to the first end of the primary winding of the transformer, the second primary winding of the transformer is displaced in space relative to the first by an angle of 90 ° and connected to the end of the primary winding of the transformer, and its beginning through the phase-shifting capacitor connected to the beginning of the first primary winding. The output of the converter is three secondary windings of the transformer, shifted one relative to the other by 120 ° and connected according to the "star" scheme, to which a three-phase load is connected. This solution is the closest in its technical essence to the prototype of the invention.

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.The disadvantages of this solution include the presence of a phase-shifting capacitor in the circuit of the second primary winding of a transformer with a rotating magnetic field, which reduces reliability and worsens weight and size. The use of thyristors requires the use of a switching device to lock them, which affects the efficiency, and the number of sets of thyristors is limited by the number of phases of the supply network, which limits the quality of the output voltage. The converter requires an increased frequency of the power supply, which limits the scope of use.

Также известен понижающий статический преобразователь частоты [Атрашкевич П.В., Балашевич В.М., Коптяев Е.Н. "Непосредственный понижающий преобразователь частоты на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем" - журнал "Науковедение", №6, 2014 г.], имеющий в своем составе трансформатор с вращающимся магнитным полем с трехфазной первичной и вторичной круговой обмоткой (выполненной по типу якорной обмотки машины постоянного тока), который является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к данному изобретению. К отводам круговой обмотки подключены полупроводниковые ключи, соединенные в многофазную реверсивную мостовую схему и управляемые системой импульсно-фазового управления, импульсы управления на выходе которой имеют нарастающее запаздывание во времени по отношению к фазе питающей сети. В этом случае каждая следующая коммутация пары отводов круговой обмотки имеет период, больший на определенное значение, определяемое коэффициентом преобразования частоты. Выходное напряжение, формируемое многофазным мостом, состоит из фронтов синусоиды напряжения входной частоты и представляет собой случай кусочно-синусоидальной модуляции, обеспечивая понижение частоты напряжения без промежуточного звена постоянного тока.Also known is a step-down static frequency converter [Atrashkevich P.V., Balashevich V.M., Koptyaev E.N. "Immediate step-down frequency converter based on a transformer with a rotating magnetic field" - journal "Science of Science", No. 6, 2014], which includes a transformer with a rotating magnetic field with a three-phase primary and secondary circular winding (made as an anchor winding of a machine direct current), which is the closest in its technical essence to the prototype of this invention. Semiconductor switches are connected to the taps of the circular winding, connected to a multiphase reversible bridge circuit and controlled by a pulse-phase control system, the control pulses at the output of which have an increasing delay in time with respect to the phase of the supply network. In this case, each subsequent switching of the pair of taps of the circular winding has a period greater by a certain value determined by the frequency conversion coefficient. The output voltage generated by the multiphase bridge, consists of the edges of the sinusoid voltage of the input frequency and is a case of piecewise sinusoidal modulation, providing a decrease in the frequency of the voltage without an intermediate DC link.

К недостаткам такого решения можно отнести коммутацию отводов круговой обмотки с разрывом кривой тока, что приводит к выбросам напряжения и ухудшению электромагнитной совместимости с другим электрооборудованием. Также, с ростом коэффициента понижения частоты увеличивается разница напряжений между коммутируемыми отводами круговой обмотки, что ухудшает гармонический состав выходного напряжения.The disadvantages of this solution include switching the taps of the circular winding with a discontinuity in the current curve, which leads to voltage spikes and the deterioration of electromagnetic compatibility with other electrical equipment. Also, with an increase in the coefficient of lowering the frequency, the voltage difference between the switched taps of the circular winding increases, which worsens the harmonic composition of the output voltage.

Раскрытие изобретения.Disclosure of the invention.

Основу современных автономных электроэнергетических систем во всем мире составляют генераторы трехфазного переменного напряжения 380 В, 50 Гц. При этом конечные потребители требуют для своей работы преобразования одного или нескольких параметров: рода тока, напряжения и частоты. Для этого в настоящее время используются преимущественно полупроводниковые статические преобразователи. Все множество преобразователей электроэнергии можно разделить на несколько основных классов: выпрямители и преобразователи частоты. Задача преобразователей частоты - это плавный пуск двигателей различных механизмов, а также регулирование их частоты. Также существует отдельный класс промышленных потребителей, требующих питания пониженной частоты без ее регулирования. К таким потребителям относятся, в частности, системы депарафинизации нефтяных скважин и некоторые технологические процессы в металлургии.The basis of modern autonomous electric power systems all over the world is made up of three-phase alternating voltage generators 380 V, 50 Hz. At the same time, final consumers require the conversion of one or several parameters for their work: the type of current, voltage, and frequency. For this, semiconductor static converters are currently used predominantly. The whole set of power converters can be divided into several main classes: rectifiers and frequency converters. The task of frequency converters is the smooth starting of engines of various mechanisms, as well as the regulation of their frequency. There is also a separate class of industrial consumers requiring low frequency power without its regulation. Such consumers include, in particular, oil dewaxing systems and some technological processes in metallurgy.

Основой классических преобразователей является трехфазная мостовая схема с двумя группами вентилей - катодной и анодной, которая обеспечивает высокое среднее выпрямленное напряжение при довольно малом коэффициенте пульсаций. В случаях, когда напряжение на выходе мостовой схемы должна менять полярность, используется встречно-параллельное включение вентилей, представляющее собой реверсивную схему. Недостатком таких преобразователей является необходимость введения дополнительных обмоток типа треугольник и зигзаг для получения дополнительного фазового сдвига, что связано с ухудшением массогабаритных показателей установки. Каждая вторичная обмотка подключается к своему трехфазному мосту, они соединяются последовательно или параллельно. Естественная коммутация вентилей без разрыва тока возможна только в неуправляемом режиме, введение угла регулирования приводит к коммутационным выбросам ЭДС.The basis of classical converters is a three-phase bridge circuit with two groups of valves - cathode and anode, which provides a high average rectified voltage with a rather low ripple coefficient. In cases where the voltage at the output of the bridge circuit must change polarity, counter-parallel switching of the valves is used, which is a reverse circuit. The disadvantage of such converters is the need to introduce additional windings of the triangle and zigzag type to obtain an additional phase shift, which is associated with a deterioration in the overall dimensions of the installation. Each secondary winding is connected to its three-phase bridge, they are connected in series or in parallel. Natural switching of valves without breaking the current is possible only in uncontrolled mode, the introduction of an angle of regulation leads to switching emissions of EMF.

В последнее десятилетие полупроводниковой промышленностью освоено производство мощных полностью управляемых вентилей с высокой частотой коммутации, что дало толчок к развитию схемотехники импульсных статических преобразователей, и поиску различных алгоритмов управления ими. Появление новых способов широтно-импульсного управления позволило создать выпрямители, инверторы и преобразователи частоты с улучшенными характеристиками - повышению коэффициента потребляемой мощности, качеством выходного напряжения и тока, сниженными массой и габаритами. Одновременно с этим произошло повышение частоты коммутации вентилей, которая в десятки и сотни раз превышает частоту питающей сети, и еще больше - по сравнению с классическими преобразователями. Это ведет к повышенному тепловыделению вентилей, ухудшению электромагнитной совместимости и снижению надежности их работы, поскольку процесс коммутации является самым напряженным режимом работы, сопровождаемым кроме того, выбросами напряжения при разрыве кривой тока. Главной технической проблемой современной силовой преобразовательной техники можно признать процесс коммутации тока и снижение коммутационных выбросов.In the last decade, the semiconductor industry has mastered the production of powerful fully controllable valves with a high switching frequency, which gave impetus to the development of circuitry for pulsed static converters, and the search for various control algorithms for them. The emergence of new methods of pulse-width control has allowed the creation of rectifiers, inverters and frequency converters with improved characteristics - increasing the power consumption coefficient, the quality of the output voltage and current, reduced weight and dimensions. At the same time, there was an increase in the frequency of switching valves, which is tens and hundreds of times higher than the frequency of the supply network, and even more than in comparison with classical converters. This leads to increased heat dissipation of the valves, deterioration of electromagnetic compatibility and a decrease in the reliability of their operation, since the switching process is the most intense mode of operation, which is also accompanied by voltage surges when the current curve breaks. The main technical problem of modern power converting equipment can be recognized as the process of switching current and reducing switching emissions.

Основой для нового класса статических преобразователей электроэнергии стали трансформаторы с вращающимся магнитным полем (ТВМП), как попытка улучшить электромагнитную совместимость с питающей сетью и качество выходного напряжения выпрямителей и инверторов на базе ТВМП. Это привело к появлению вторичной круговой обмотки (КО), выполненной по типу якорной обмотки машины постоянного тока, и изменению схемы соединений полупроводникового коммутатора. Возможность получения большого числа пульсаций выпрямленного и ступеней синусоидального напряжения за счет увеличения числа отводов КО - один из способов улучшения качества напряжения на выходе выпрямителей и инверторов на базе ТВМП. Дальнейшим развитием идеи управляемого статического преобразователя на базе ТВМП с КО стал непосредственный преобразователь частоты с напряжением, формируемым из фрагментов синусоиды основной частоты.The basis for a new class of static electric power converters are transformers with a rotating magnetic field (TVMP), as an attempt to improve electromagnetic compatibility with the mains and the quality of the output voltage of TVMP-based rectifiers and inverters. This led to the appearance of a secondary circular winding (KO), made as an anchor winding of a DC machine, and a change in the connection diagram of the semiconductor switch. The possibility of obtaining a large number of rectified ripples and sinusoidal voltage steps by increasing the number of KO taps is one of the ways to improve the quality of the voltage at the output of rectifiers and inverters based on TVMP. A further development of the idea of a controlled static converter based on TWMP with KO was a direct frequency converter with voltage formed from fragments of a sinusoid of the fundamental frequency.

Конструктивно, ТВМП представляет собой цилиндрический шихтованный магнитопровод с расположенными по окружности пазами, в которые укладываются первичная трехфазная и вторичная круговая обмотка. Создаваемое первичной обмоткой вращающееся магнитное поле наводит во вторичной замкнутой КО переменную ЭДС, при этом сумма ее во всех секция КО равняется нулю, а знак ЭДС при переходе геометрической нейтрали (диагонали КО с максимальной ЭДС) обмотки меняется на противоположный. Коммутируя отводы КО с некоторым коэффициентом запаздывания, отстающее от геометрической нейтрали КО, получаем понижение частоты выходного напряжения. Подобное решение, несмотря на использование ТВМП, сохраняет недостатки классических статических преобразователей - разрыв кривой тока и соответствующие ему коммутационные выбросы ЭДС, что ухудшает электромагнитную совместимость с другим оборудованием, и снижает надежность самого преобразователя.Structurally, the TWMP is a cylindrical lined magnetic circuit with grooves located around the circumference, into which the primary three-phase and secondary circular winding are laid. The rotating magnetic field created by the primary winding induces the EMF variable in the secondary closed KO, the sum of it in all the KO sections being equal to zero, and the sign of the EMF when the geometric neutral (diagonal KO diagonal with maximum EMF) changes, the winding is reversed. By commuting KO taps with a certain delay coefficient, lagging behind the KO geometric neutral, we obtain a decrease in the frequency of the output voltage. Such a solution, despite the use of TVMP, retains the drawbacks of classical static converters - breaking the current curve and the corresponding emf switching emissions, which impairs electromagnetic compatibility with other equipment and reduces the reliability of the converter itself.

Для решения этой проблемы можно использовать свойство симметричности вторичной круговой обмотки ТВМП, что создает условия для реализации алгоритма плавной коммутации тока между вентилями.To solve this problem, you can use the symmetry property of the secondary circular winding of the TVMP, which creates the conditions for the implementation of the algorithm for smooth switching of current between the valves.

Рассмотрим работу КО на 8 отводов (фиг. 1). Напряжение на отводах изменяется по мере вращении созданного первичной обмоткой магнитного поля, так что, в зависимости от расположения вектора суммарной магнитной индукции, ЭДС на диаметральных выводах (например, DH) будет подчиняться синусоидальному закону, проходя через ноль с частотой, равной частоте питающей сети. То есть за счет числа отводов круговой обмотки можно получить многофазную систему напряжений, число фаз которой определяется числом пар отводов, равным числу диагоналей обмотки.Consider the work of KO on 8 taps (Fig. 1). The voltage at the taps changes as the magnetic field created by the primary winding rotates, so that, depending on the location of the vector of the total magnetic induction, the EMF at the diametrical terminals (for example, DH) will obey a sinusoidal law, passing through zero with a frequency equal to the frequency of the supply network. That is, due to the number of taps of the circular winding, it is possible to obtain a multiphase system of voltages, the number of phases of which is determined by the number of pairs of taps equal to the number of diagonals of the winding.

При работе в режиме неуправляемого выпрямителя пары отводов, составляющих диагональ, коммутируются в моменты равенства ЭДС диагоналей - таким образом, ток переходит на смежную пару отводов без разрыва кривой тока. Это свойство можно обобщить в универсальный закон управления: любая коммутация должна производиться между парами отводов в момент равенства их ЭДС. Это гарантирует плавную передачу тока с вентиля на вентиль и отсутствие коммутационных выбросов ЭДС.When operating in an uncontrolled rectifier mode, the pairs of taps that make up the diagonal are switched at the moments of equal EMF of the diagonals - thus, the current passes to an adjacent pair of taps without breaking the current curve. This property can be generalized into a universal control law: any switching should be carried out between pairs of taps at the moment of equality of their EMF. This ensures a smooth transfer of current from valve to valve and the absence of switching EMF emissions.

На основе такого закона управления можно строить различные виды преобразователей, в том числе непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), с понижением частоты питающей сети. В этом случае необходимо обеспечить максимальное приближение выходного напряжения пониженной частоты к синусоиде с минимальным уровнем высших гармоник, обеспечивая одновременно равенство ЭДС коммутируемых пар отводов КО. Это приводит к неравным периодам времени между коммутациями.Based on this control law, it is possible to build various types of converters, including direct frequency converters (NFC), with a decrease in the frequency of the supply network. In this case, it is necessary to ensure the maximum approximation of the output voltage of a reduced frequency to a sinusoid with a minimum level of higher harmonics, while ensuring the equality of the EMF of the switched pairs of FB taps. This leads to unequal time periods between switching.

На фиг. 2 изображено многофазное напряжение круговой обмотки на 6 отводов и формируемое из него выходное напряжение с пониженной в 2 раза частотой. Очевидно, что для данного случая 6 отводов круговой обмотки недостаточно для формирования плавной полуволны на выходе НПЧ. На фиг. 3 изображено выходное напряжение для случая 8 отводов круговой обмотки, полуволна выходного напряжения формируется без снижения до нуля и с лучшим качеством синусоиды.In FIG. Figure 2 shows the multiphase voltage of a circular winding with 6 taps and the output voltage generated from it with a frequency reduced by 2 times. Obviously, for this case, 6 taps of a circular winding are not enough to form a smooth half-wave at the output of the low-pass filter. In FIG. 3 shows the output voltage for the case of 8 taps of the circular winding, the half-wave of the output voltage is formed without reducing to zero and with the best quality sine wave.

Отличие предлагаемого преобразователя частоты от прототипа заключается в способе управления многофазным реверсивным 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, относительно фазы питающей сети, таким образом, что коммутация производится между парами отводов в момент равенства их ЭДС, что в результате обеспечивает понижение частоты основной гармоники выходного напряжения и отсутствие разрыва кривой тока при коммутации отводов круговой обмотки.The difference of the proposed frequency converter from the prototype lies in the method of controlling a multiphase reversible bridge connected to the secondary circular winding of a transformer with a rotating magnetic field. In this method, the pulse-phase control system provides an increasing delay of the control signals of the keys switching the taps of the circular winding relative to the phase of the supply network, so that switching is done between the pairs of taps at the moment of equal emf, which as a result provides a decrease in the frequency of the main harmonic of the output voltage and the absence of a break in the current curve when switching the taps of a circular winding.

Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим три принципиальных отличия от прототипа:The proposed technical solution is new, having three fundamental differences from the prototype:

- алгоритм управления выходным многофазным реверсивным мостом предусматривает максимальное приближение выходного напряжения преобразователя к синусоидальному напряжению соответствующей частоты;- the control algorithm for the output multiphase reversible bridge provides for the maximum approximation of the output voltage of the converter to a sinusoidal voltage of the corresponding frequency;

- коммутация производится между парами отводов круговой обмотки в момент равенства их ЭДС;- switching is carried out between pairs of taps of a circular winding at the moment of equality of their EMF;

- возможное значение пониженной частоты выходного напряжения зависит от числа отводов круговой обмотки.- the possible value of the reduced frequency of the output voltage depends on the number of taps of the circular winding.

Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - повышению качества выходного напряжения и повышению электромагнитной совместимости устройства с питающей сетью.Thus, the set of essential features of the invention leads to a new technical result - improving the quality of the output voltage and increasing the electromagnetic compatibility of the device with the mains.

Краткое описание чертежей.A brief description of the drawings.

На фиг. 1 изображен многоугольник ЭДС круговой обмотки на 8 отводов. Здесь 1 - круговая обмотка, A, B, C, D, E, F, G, H - отводы круговой обмотки, U_z - диагональ круговой обмотки с максимальным напряжением.In FIG. 1 shows a polygon EMF circular winding on 8 taps. Here 1 is the circular winding, A, B, C, D, E, F, G, H are the branches of the circular winding, U _z is the diagonal of the circular winding with the maximum voltage.

На фиг. 2 изображено многофазное напряжение круговой обмотки с 6 отводами и формируемое из него выходное напряжение с пониженной в 2 раза частотой. Здесь 1 - выходное напряжение понижающего преобразователя частоты, 2 - многофазная система напряжения на выходе круговой обмотки с 6 отводами.In FIG. 2 shows the multiphase voltage of a circular winding with 6 taps and the output voltage generated from it with a frequency reduced by 2 times. Here 1 is the output voltage of a step-down frequency converter, 2 is a multiphase voltage system at the output of a circular winding with 6 taps.

На фиг. 3 изображено многофазное напряжение круговой обмотки с 8 отводами и формируемое из него выходное напряжение с пониженной в 2 раза частотой. Здесь 1 - выходное напряжение понижающего преобразователя частоты, 2 - многофазная система напряжения на выходе круговой обмотки с 8 отводами.In FIG. Figure 3 shows the multiphase voltage of a circular winding with 8 taps and the output voltage generated from it with a frequency reduced by 2 times. Here 1 is the output voltage of a step-down frequency converter, 2 is a multiphase voltage system at the output of a circular winding with 8 taps.

Claims (1)

Способ понижения частоты выходного напряжения для питания систем депарафинизации нефтяных скважин и электропривода переменного тока в статическом преобразователе на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем, имеющим трехфазную первичную и вторичную круговую обмотку, к отводам которой подключены полупроводниковые вентили, составляющие реверсивную многофазную мостовую схему, основанный на управлении таким образом, что моменты открытия силовых вентилей имеют нарастающее запаздывание во времени по отношению к фазе питающей сети, отличающийся тем, что коммутация между парами отводов круговой обмотки производится в момент равенства их ЭДС. A method of lowering the frequency of the output voltage for supplying oil well dewaxing systems and AC electric drive in a static converter based on a transformer with a rotating magnetic field having a three-phase primary and secondary circular winding, to the taps of which are connected semiconductor valves making up a reversible multiphase bridge circuit based on control so that the moments of opening of the power valves have an increasing delay in time with respect to the phase of the supply with Networks, characterized in that the switching between the pairs of taps of the circular winding is made at the moment of equality of their EMF.

Images