Преобразователь

союэ сОВетских СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ 352 УБЛИК 7/4 5)5 Н ЕНТ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОсплтент сссР) 4 Ц Е С ВИДЕТЕЛЪСТВУ АВТОРСК м ые в. о- и- ре зом оем ех- ой(57) Использование: при построении трфазных преобразователей повышенн Изобретение относится к силовой преобразовательной технике, к обратимым преобразовательным устройствам со звеном постоянного тока, выполненным на основе двух или нескольких трехфаэных инверторов напряжения, Преобразователь служит дпя преобразования постоянного тока в переменный или наоборот и может работать, например, в качестве устройства дпя гаранг тировэнного питания потребителей переменного тока, требующих напряжения со стабильной или с регулируемойчастотой, Благодаря присущему каждому инвертору напряжения свойству обратимости преобразователь может быть использован и для рекуперации энергии иэ сети переменного тока в сеть постоянного тока, например для заряда аккумуляторной батареи, Он может быть использован и в качестве инвертора мощности с уменьшенными искажения выходного напряжения, Сущность иэоб тения поясняется на примере трехфазн инвертора, выполненного в виде двух тр фазных мостов, нагруженных на первичн обмотки трехфазных трансформатор Вторичные обмотки каждого трансформа ра выполнены в виде двух комплектов, и чем эти комплекты в одном трансформэто соединены по схеме "прямой зигзаг", другом трансформаторе - по схеме "обр ный зигзаг". Соединенные таким обра вторичные обмотки трансформаторов с динены пофазно последовательно по схе "звезда". 1 з,п. ф-лы, 8 ил. 1 табл. ведомого сетью. Тогда и при применении тиристоров узлы искусственной коммутации вентилей в инверторах не требуются.Известен преобразователь, содержащий два трехфазных инвертора, каждый из которых. своим трансформатором подключен к общим для всего преобразователя выводам переменного тока. Первичные напряжения этих трансформаторов с помощью системы управления сдвинуты на угол л/6. Вторичные обмотки трансформаторов инверторов соединены у одного по схеме "звезда", а у другого - "треугольник". Поэтому основные гармоники кривых вторичного напряжения инверторов оказываются синфазными. В этом преобразователе, являющемся аналогом данного предложения, подавлен ряд пар нечетных гармоник - гармоник с порядковыми номерами 6 К+.1,1793522Составитель В.Высочанскийдактор С.Кулакова Техред М,Моргентал Корректор Т,Палий аказ 509 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина. 101793522г е К=1 3 5, С тд = , Соо ветственно подавлены ных по фазе выходных напряжений инвер 17, 19; 29, 31;гармоники с порядковыми номерами 5, 7; торов с взаимным фазовым свым сдвигом на угол2 д, усовершенствовано, Для этого трансНедостатком данного преобразователя форматорный выход второго инвертора выявляется невозможность подавления дру полнен также с двус двумя вторичнымигих гармоник, что важно, например, при ис- обмотками, идентичными обмоткам первои между со ой по схемепользовании инверторов с трехпроводным го, но соединенными межд собвходом, где названные гармоники и беэ того "обратный зигзаг", При этом соотношениемалы, а нуждаются в подавлении 11, 13 гар- чисел витков вторичных обмоток трансфорво и подо но ( ) определямоники. Недостатком является и необходи маторов одинаково и подобно (2)масть применения трансформаторов с ется номерамиподавляемыхгармоник, Оноразличными конструкциями обмоток, находится из выражения, связывающегоИзвестен также преобразователь, со- упомянутое соотношение - коэффициентдержащий четыре инвертора. В нем наряду трансформации К 2 с величиной названногос соединением первичных обмоток транс выше фазового сдвига 2 д. При этомформаторов по схемам "треугольник",Л"звезда", применены схемы соединения= ищу (1)вторичных обмоток "прямой зигзаг" и ноб- где й выбирается из ряда чисел 1, 2, 3 иратный зигзаг". влияет на величину подавляемых гармоник,Недостатком этого преобразователя, 20 которые определяются рядом 6 Кй-ф,рассматриваемого в качестве второго ана- При И=1 это гармонические с порядковымилога, является его большая сложность и ис- номерами 5, 7, 17, 19, 29, 31 При И =2 зто:пользование трансформаторов с 11, 13, 35, 37, 59, 61 Если число витковсущественно разными обмоточными данны- большей вторичной обмотки Ю 1 з принять зами, 25 А 2, а число витков обмотки с меньшим чисИзвестен также преобразбватель со лом витков Ю 14 обозначить а 2, тозвеном постоянногО тока, который подобно . а 2 2 19 дпервому аналогу содержит два трехфаеных т дт .73 - тр ог 2 гинвертора и два трансформатора с различ- при д = 15, К 2 = 0,366,ными группами соединения обмоток, На фазоазовый сдвиг импульсов управленияпряжение одноименных фаз инверторов на угол 2 д обеспечиваетсинфазностьсоотпосредством системы управления сдвинутона угол л/6. У одного трансформатора схе- форматоров. Поэтом предложенное- да", а удру- техническое решение не накладывает ограна вы ор схемы соединения пергого - "звездам - нзигзаг". Спектральный 35 ничений на выбор схемсостав напряжения этого преобразователя вичных об фвичных о моток трансформаторов, а такжен взаимное расположение вторичных обтакой же, каки у аналога, однакотрансфор- на взаимное распол жматоры здесь разнятся числом обмоток, моток другого: оно может быть параллельное (как у аналога) и последовательное (какмощностью и коэффициентом трансформа- ное (как у ан ) (ции,а фиг, приведена силовая схемаНедостаткомданного преобразователя, . На фиг,1 и ипринятого в качестве прототипа, является .предлагаемого преобразователя; на фиг.2 -невозможность подавления высших гармо- векто ные иаг амр ме,;,;, и необходимость трансформаторов и схемы соединения ихприменения трансформаторов, различаю обмот; ф,3 о моток; на фиг. - кривые суммарного нащихся не только обмоточными данными, но пряжения вто ичньпряжения вторичных обмоток каждого иэтрансформаторов и их суммарное напряжение выбо а взаиЦелью изобретения является расшире- ние (за первичную ба первичную о мотку условно прининиевы оравзаимноподавляемыхгармоник маем обмотку подключ н(устранение ограничений свободы этого вы схеме инвертора); на фиг.4 - фбо а) и максимаинвертора); на фиг.4 - модификацияфарматоров,р )льная унификация транс- преобразователя по схем ф .1х ме фиг. и криваяего напряжения. Для подавления большегочисла гармоник с сохранением прежнегооставленная цель достигается тем, чтоизвестный преобразователь, содержащий числа трансформаторов в схеме удвоенодва трехфазных мостовых инвертора с 55. число инверторов н ф .5 -трансформаторными выходами, в которых пользования преобразователя фиг,1 совмевторичные обмотки одного.из трансформа- стносизвест м фс известным трехфазным инвертором стейшим трансформаторным выходом;торов соединены по схеме "прямой зигзаг", простейшим трансф ма также содержащий блок управления, на фиг.б - кривыобеспечивающий формирование одноимениг. - кривые напряжения отдельныхинверторов преобразователя по схеме фиг,5; на фиг,7 - кривые напряжения этого преобразователя при нескольких значениях угла регулирования напряжения Л, обозначенного на потенциальной диаграмме одной фазы инвертора; на фиг.8 а и 8 б - соответственно векторы основных гармоник напряжения вторичных обмоток трансформаторов преобразователей из четырех и иэ пяти инверторов при синфазном управлении одноименными вентилями всех инверторов.Преобразователь иэ четырех инверторов является модификацией предложенного преобразователя по фиг,1, содержит два преобразователя фиг,1. Преобразователь иэ пяти инверторов является примером использования этой модификации совместно с известным трехфазным инвертором. В обоих случаях инверторы в звене постоянного тока соединены параллельно. Вторичные обмотки трансформаторов этих преобразователей могут быть соединены как параллельно; так и последовательно,На фиг,1-8 обозначены: 1 - отдельные трехфазные инверторы вместе с их блоками управления; 2, 3 - трансформаторы; 4 - шины постоянного тока; 5 - конденсатор для ограничения влияния индуктивности звена постоянного тока (его применение необязательно); 6 - шины переменного тока; 7 - преобразователь в целом; 8 - синхронный генератор (воэможный второй источник питания звена переменного тока): 9-11 - различные потребители энергии переменного тока соответственно с линейной характеристикой, с нелинейной характеристикой и с противоЭДС; 12 - первичные обмотки трансформаторов 2 и 3; 13 и 14 - вторичные обмотки этих же трансформаторов; 15, 16 - векторные диаграммы основных гармоник напряжения вторичных обмоток трансформаторов 2 и 3 при синфазном управлении питающих их инверторов 1; 17 - вектор основных гармоник фаэ А этих трансформаторов (соответственно А 22 и Агз) после взаимного встречного сдвига фаз напряжений питающих их инверторов на угол д; 18, 19 (20, 21) - векторы основных гармоник напряжений обмоток 14 и 13 трансформаторов 2 и 3, формирующих суммарные напряжения 22 (23); 18, 19, (20, 21) - мгновенные значения напряжений обмоток 14 и 13 трансформаторов 2 и 3 при синфазном управлении одноименными вентилями инверторов преобразователя; 22, 23; - мгновенные значения названных выше суммарных кривых напряжения после взаимного встречного сдвига отпирающих импульсов упомянутых вентилей на угол д;24 - напряжение фазы А преобразователя (сумма напряжений 22, 23) при последовательном соединении обмоток трансфор маторов согласно фиг.1; 25 - напряжениепреобразователя по схеме фиг.4; 26 - трансформатор третьего инвертора преобразователя по схеме фиг.5; 27, 28 - первичная и вторичная обмотки трансформатора 10 26; 29 - вектор основной гармоники фазы Атрансформатора 26; 29 - мгновенное значение напряжения фазы А трансформатора 26; 30 - напряжение преобразователя по схеме фиг.5(сумма напряжений 22, 23, 29); 30, 15 31, 32 - напряжение названного преобразователя при угле регулирования Л, соответственно равном О, 20, 30 эл, град; 34 - потенциальная диаграмма одного из выводов звена переменного тока одного из ин верторов фиг.5, построенная относительнопотенциала условной средней точки звена постоянного тока преобразователя; 35, 36 - векторы основных гармоник напряжения второй пары инверторов преобразователя, 25 выполненной также по схеме фиг.1 при синфазном управлении одноименными вентилями всех четырех (пяти) инверторов, Инверторы 1 могут быть как с двухпроводным входом (фиг.1, 4, 5) так и с трехпровод ным входом(4).Рассмотрим работу преобразователя посхеме фиг,1, Как известно фундаментальным свойством инвертора напряжения является независимость величины и формы 35 его напряжения от величины и характеранагрузки (падением напряжения на вентилях инвертора и импедансах звена постоянного тока и трансформаторов пренебрегаем), Поэтому векторные диаг раммы фиг.2 и форма кривых напряжениякаждого инвертора не зависят от числа инверторов преобразователя, Она остается неизменной при любом режиме работы преобразователя, В преобразователе ис пользуются инверторы со 180-ным режимом работы встречно-параллельно включенных управляемых вентилей и диодов. Их работа общеизвестна и не нуждается в пояснении. Для формирования 50 фазового сдвига на упомянутый угол 2 д могут быть применены общеизвестные средства фазового управления. Векторы 22 и 23 представляют сумму 55 основных гармоник вторичных обмотоктрансформаторов с учетом взаимного соединения "начал" и "концов" этих обмоток, Если принять, что и - угловая частота, с - время, в 1 = О, то согласно фиг,2Аггэ п(д+ д) = Агзп О+ агэи (О 60 О); Агг А + 2 Аг аг сов 60 + аг 5 щ 6 О а 2 22а 2 сов 600 - А 2+0,5 а 2 тдд -А 45 10При синфазном управлении одноименными вентилями инверторов основные гармоники суммарных кривых напряжениятрансформаторов 2 и 3, как это показано нафиг.2, сдвинуты относительно оси ординат(оси отсчета углов), на угол Ы. При этом и-егармоники кривых напряжения обмоток 13трансформаторов имеют нулевой сдвиг фаз+60 п у трансформатора 2 и -60 п у трансформатора 3, В результате и-е гармоники суммарных кривых напряжений обмоток 13 и 14названных трансформаторов сдвинуты относительно оси ординат на угол дгде19 лд эгв(п 60 п . 4Аг+агсоэ 60 пИспользуя это выражение легко устано- .вить, что у трансформатора 2д 5 = д 11 = д 17 = д 23 = д 29 =. = - д 1 30(при этом д 1 =д)д 7 = д 3 = д 19 = д 25 = д 31 = = + д 1,а у трансформатора 3, наоборот, первый рядимеет сдвиг+ д 1, а второй - д 1.Поэтому при сдвиге отпирающих импульсов инвертора, питающего трансформатор 2 на угол д по часовой стрелке досовмещения вектора 22 с осью ординат, высшие гармоники окажутся повернутыми насуммарные углы д Х: 40д 5 Х= -5 д 1+д 5=-6 д 1;д 7 Х= - 7 д 1 +д 7 = - 6 д 1;д 11 Х= - 11 д 1+д 11= - 12 д 1 ;д 1 зХ = - 13 д 1 +д 1 з = - 12 д 1;д 17 Х,= - 17 д 1+ д 17 = - 18 д 1;д 19 Х = - 19 д 1 + д 19 = - 18 д 1;д 2 зХ = - 23 д 1+дгз = - 24 д 1;д 25 Х = - 25 д 1 +45 = - 24 д 1, 5049 Х = - 29 д 1 +д 29 = - 30 д 1;дз 1 Х = - 31 д 1 +дз 1 = - 30 д 1,Аналогичная картина имеет место присдвиге отпирающих импульсов второго инвертора, питающего трансформатор 3 наугол д против часовой стрелки до совмещения вектора 23 с осью ординат, В результатевстречного поворота векторов 22 и 23 на угол д оба они занимают положение вектора 17. При д, равном 15 эл, градгармоники с порядковыми номерами 6 К".1 оказываются противофазными, э гармоники с порядковыми номерами 12 К+1 оказываются синфазными. Естественно, что процентное содержание нескомпенсированных высших гармонических в суммарной кривой напряжения остается каноническим.Работа преобразователя по фиг,2 с двумя инверторами хорошо согласуется с работой третьего инвертора, трансформатор которого объединен с трансформаторами первых двух так, как показано на фиг.5,Трансформатор 26 имеет одинаковыесхемы соединения первичных и вторичных обмоток, причем такие же как и у первичных обмоток трансформаторов 2 и 3. Взаимо- компенсация высших гармонических в системе, где действуют три напряжения с одинаковым спектральным составом, обеспечивается путем взаимного сдвига высших гармонических на угол .ф.120 эл, град. относительно гармонических напряжений третьего (центрального) инвертора. Поэтому блок управления этого инвертора обеспечивает установку фазы импульсов управления его вентилями посередине между импульсами управления одноименными вентилями двух других инверторов, которые сдвинуты относительно друг друга на угол в 1,5 раза меньший,чем это было в предыдущем случаеЛ- 2 д = 9 , При одинаковых первичных обмотках всех трех трансформаторов число витков одной фазы вторичной обмотки двух- обмоточного трансформатора 26 составляет 88,5 оь суммы витков вторичных обмоток одной фазы трехобмоточных трансформаторов 2 и 3, При этом условии основные гармоники вторичных напряжений всех трансформаторов одинаковы. фазовый сдвиг импульсов управления инверторов обеспечивает синфэзность вторичных напряжений трансформаторов. Поэтому возможно как последовательное так и параллельное соединение вторичных обмоток трансформаторов. Спектральный состав кривой напряжения звена переменного тока преобразователя в обоих случаях одинаков. Неподавлены лишь гармоники с порядковыми номерами 18 о+1, где о = 1, 2, 3,4;т.е. гармоники 17, 19, 35, 37, 53, 55.В преобразователе по схеме фиг.5 векторы 22 и 23 повернуты относительно оси ординат на угол 2 д, а не д, как это было в предыдущем случае, поэтому при определении величины К 2 в выражение (2) следует подставлять в качестве аргумента угол 2 д,Регулирование напряжения рассмотренных преобразователей производится любым известным методом, в частности, широтным. Пример такого регулирования при минимальном числе коммутаций за полуволну напряжения потенциальной диаграммы одной фазы инвертора преобразователя по фиг,5 приведен на фиг,7, кривая 34. Кривые напряжения в звене переменного тока преобразователя приведены при нескольких значениях угла регулирования Л. Естественно, что при любом значении величины Л ближайшими не- подавленными гармониками остаются 17, 19, 35, 37. С изменением Л, наряду с изменением основной гармоники напряжения, меняется относительное содержание лишь неподавленных высших гармонических, Глубина регулирования напряжения ту, равная отношению 01 Имакс может быть найдена из выраженияз = 2 з п(30 - Л/2), (5)Как следует из кривых 31, 32, при величине угла Л. кратной величине д, кривая напряжения не содержит дополнительных ступеней. Их число остается таким же, как и при д=О,Взаимное подавление высших гармонических преобразователя разведением векторов основных гармоник напряжения вторичных обмоток трансформаторов его инверторов путем применения схем соединения этих обмоток "прямой зигзаг" - "обратный зигзаг" с последующим сведением названных векторов за счет сдвига импульсов управления вентилями инверторов может быть распространен и на преобразователи с большим числом инверторов, соответственно с подавлением большего числа гармоник, Поскольку применение преобразователя всего из пяти инверторов уже достаточно для формирования синусоидальной кривой напряжения, при которой коэффициент гармоник менее пяти процентов, ограничимся рассмотрением преобразователей из четырех и из пяти инверторов,Преобразователь из четырех инверторов образуется путем объединения двух преобразователей по схеме фиг.1, различающихся между собой только величиной угла д, Их инверторы по входу соединяются параллельно. Вторичные обмотки двух пар трансформаторов могут быть соединены как последовательно, так и параллельно. Спектральный состав их суммарного напряжения отэтого не зависит, Преобразователь из пяти инверторов образуется путем добавления к преобразователю из четырех инверторов еще одного инвертора с двухобмоточным трансформатором подобно тому, как это было показано в преобразователе из трех инверторов. Если в преобразователеиэ двух инверторов угол их взаимного сдвига при И=1 составляет 30 эл. град, (180/6- -60/2), в преобразователе из трех инверторов - 20 эл. град. (60/3, то в преобразовате ле из четырех инверторов он 15 эл, град.(60/4), а о преобразователе из пяти инверторов - 12 эл. град. (60/5). С помощью фиг.8 легко установить, что у двух последних иэ названных преобразователей соотношение 15 витков пары трансформаторов, формирующих вектора напряжения 35 и 36 находится соответственно из выражений2 сдЗд 2 д 46ъ 3 тдЗБчад 20 Спектральный состав кривых напряжения рассмотренных преобразователей приведен в таблице,Применение предлагаемого преобразователя позволяет расширить возможность 25 выбора подавляемых гармоник, обеспечитьподавление подряд большего числа гармоник и максимально унифицировать трансформаторы, Если в инверторах применены тиристоры, то при нечетном числе инверто ров в преобразователе могут быть упрощены сами инверторы за счет использования группового узла коммутации общего для всех инверторов. При этом дополнительных переэарядов коммутирующего конденсато ра не требуется.Формула изобретения 1, Преобразователь, содержащий дватрехфазных мостовых инвертора напряжения, каждый с трехфаэным выходным транс форматором, причем две трехфазныевторичные обмотки одного из них соединены по схеме "прямой зигзаг", а также блок управления, обеспечивающий фазовый сдвиг выходных напряжений указанных ин верторов на угол 2 д, о тл и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью расширения выбора взаимно подавляемых гармоник и унификации трансформаторов, последние выполнены с одинаковыми обмоточными данными, при чем первичные обмотки имеют одинаковыесхемы соединения, вторичные обмотки другого трансформатора соединены по схеме "обратный зигзаг", выходные обмотки трансформаторов соединены в зигзаг, вклю чены последовательно или параллельно, асоотношение чисел витков К 2 во вторичных обмотках, соединенных в зигзаг, выполнено для обоих трансформаторов одинаковым и1793522 12 емы л 1,2 взаимосвязанным с упомянутым углом следующим выражением;2 щд Кгде д = - ,-, М определяет номер подавля х гармоник и выбирается из ряда чисе 22. Преобразователь по и.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью расширения групп взаимно подавляемых гармоник, он дополнен вторым преобразователем, аналогичным первому, а блок управления выполнен обеспечивающим фазовый сдвиг между импульсами управления одноименными вентилями соответствующих инверторов второго преобразователя на угол в три раза больший, чем аналогичный угол у первого преобразователя, импульсы управления вентилями первого инвертора второго преобразователя опережают по фазе импульсы одноименных им вентилей первого инвертора первого преобразователя на упомянутый угол 2 д, а соотношение чисел витков Кар) вторичных обмоток второй пары трансформаторов устанавливается также одинаковым и равным21 Зд3 - тд 3причем суммарные напряжения вторичных обмоток всех трансформаторов одинаковы. а вторичные обмотки трансформаторов соединены последовательно (попарно последовательно) или параллельно (попарно параллельно).