Автономный инвертор напряжения

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 1403305 А Н 02 М 7/52 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ об ьсли 1 7.09.85. НАПРЯоразовддцо цр элсктро т ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ А ВТОРСНОМЪ/ СВИДЕТЕЛЬСТВ(57) Изобретение относится и преотельной технике и м.б. использовпостроении источников вторичного цитдцця цснтрд,)изовацного тцпд. Цсльк) изобрс тония я ил яств я ,)учи свис ацерстичсских и масс) Гдс рцтн ы х нокдзатс;)сй. Устр-во солсржит и трехфазном вдриантс шесть ицвсрторов 3 -8 с выхолцыми трдцс- )орх)атордми 9 - 14. Ко вторичным обмоткамм5, 16 трансформаторов цолкл к)чсц ы лросссли 17 - 19 и коцлснсдторы 20 .- 22.драллельно лросселям 17 19 подключснь первичные обмотки 26 - 28 трансформаторов напряжения 29 - 31. Вторичные обмотки 32 - 34 через выпрямитель 35 соединены с источником цодзаряла коммутирующих конденсагоров с напряжением ). Уровень напряжения источника цодзаряда регулируется црснн)рниондльцо ц )грузке. 1 з.п. ф-лы, 5 илИзобретение относится к си,1 вой преобразовательной технике и может быть использовано при построении источников вторичного электропитания централизованного типа, включая многофазные преобразователи.Цель изобретения - улучшение энергетических и массогабаритцых юказателей.На фиг. 1 представлен трехфазный преобразователь, включающий в себя шесть автономных инверторов напряжения; на фиг. 2однофазцый мостовой инвертор; ца фиг. 3 - второй введенный выпрямитель; на фиг. 4 - первый вьНрямитель; ца фиг. 5 - внешние характеристики. 510 15Автономный инвертор напряжения (фиг. 1) содержит основной источник питания, выполненный, например, в виде силового выпрямителя 1 и фильтра постоянного тока 2.При этом силовой выпрямитель 1 ос цовц 010 источника питания входом подклО- чец ко входной сети А, В, С с частотой Г.С выхода фильтра 2 напряжение Е подводится к параллельно включенным входами одцофазцым мостовым регулируемым ицверторам напряжения 3 - -8 с выходными трансформаторами 914, вторичные обмотки 15 и 16 которых, например, соединены указанным на фиг.образом для формирования фазного напряжения фазы С с ч 11 стотой 1, В каждую фазу вк ючен 11 З 0 дроссели 7 - -19, а между каждой фазой и нулем включены конденсаторы 20 - -22, образующие с дросселями 17 - 19 выходной Г-образный 1.С-фильтр. Г 1 араллельно обмотке каждого из дросселей 17- 19 вклк)цены первичные обмотки 26 - 28 идентичных трансформаторов напряжения 29- 31, вторичные обмотки 32 - 34 которых подключены ко входу второго выпрямителя 35, а положительным выводом последний соединен с отрицательным выводом первого выпрямителя 36, который входом подключен, например, ко 40 входной сети преобразователя. Положительный вывод первого выпрямителя 36 через ограничивакнций дроссель 37 и отрицательный вывод второго выпрямителя 35 подсоединены к паралельно включенным шинам 45 подзаряда коммутирующих конденсаторов однофазных мостовых инверторов 3 - -8. Между положительным выводом выпрямителя 36 и отрицательным выводом выпрямителя 35 включен накопительный конденсатор 38.Таким образом, последовательно вклюценные выпрямители 35 и 36, трансформаторы напряжения 29 - 31, ограничиваю 1 ций дроссель 37 и накопительный конденсатор 38 совместно образуют общую цепь подзаряда коммутирующих конденсаторов однофазных мостовых инверторов 3 - 8. 55Каждый из инверторов напряжения 3 - -8 выполнен по известной однофазной мостовой схеме (фиг. 2). В предлагаемой схеме находятся цины подзаряда +1 Л, и - (.Г, коммутирующих конденсаторов.Введенный второй выпрямитель 35 (фиг. 3) с напряжением (.2 на выходе представляет собой трехфазный диодный мостовой выпрямитель, входом подключенный ко вторичным обмоткам 32 - 34 трансформаторов напряжения 29.31 на (фиг. 1). Положительным выводом (+) оц соединен с отрицательным выводом первого выпрямителя 36, а отрицательным выводом ( ) подключен к отрицательному выводу конденсатора 38 и к минусовым шинам подзаряда конденсаторов инверторов 3 - 8.Первый выпрямитель 36 (фиг. 4) представляет собой люоой автономный источник и в данном случае вк;ючает в себя согласующий трехфазный трансформатор, первичными обмотками подкл 1 очецный ко входной сети частотой Е (фиг. 1), а вторичными обмоткамико вхол выпрямителя 36 с напряжением Ц на выходе.На фиг. 5 изображены внецние характеристики источников питания, где внешняя характеристика первого выпрямителя ( 1, = 1/1/; 2 - внешняя характеристика второгО Выпрямителя= 1/1/; 3 - внешняя характеристика цепи подзаряда коммутирую 1 цих конденсаторов (1, =1/1/; 4 -- внешняя характе. ристика Основнсн о силового источника питания Е = 1/1/; Г: н - начальное выпрямленное напряжение на выходе первого выпрямителя при холостом ходе преобразователя частоты /В/; 1)юначальное выпрямленное напряжение ца выходе второго выпрямителя при холостом ходе преобразовате 1 я частоты /В/;/со -- на(аг 1 ьнОе Выпрямленное напряжение источника заряда ком мути рующи х конденсаторов,1 В/; 1 - номинальное значение тока нагрузки преобразователя асторы /А/; Еакс - наибольшее допустимое значение выпрямленного напряжения основного источника питания при холостом ходе преобразователя /В/; Е;наименьшее значение выпрямленного напряжения основного источника питания прц нормируемой перегрузке (например, 21 Н) преобразователя частоты /В/; Е номинальное значение выпрямленного напряжения основного источника питания при номинальном токе нагрузки преобразователя частоты /В/; (1 с. -- номинальное напряжение источника заряда коммутирующих конденсаторов при номинальном токе нагруз. ки преобразователя частоты /В/; Г 1, (. текущие значения выпрямленного напряжения первого и второго выпрямителей /В/.Автономный инвертор напряжения рабо. тает следующим образом.Входное напряжение частоты Е преобразуется нерегулируемым силовым выпрямителемв выпрямленное напряжение. Вы 403305прямительможет быть выполнен Ихууцрдвляемым с целью обеспечения зашиты про.образователя цо управляющему эсектрол.Выпрямленное напряжение фильтруетсяфильтром 2 постоянного тока и в виде напряжения Е основного источника питания поступает на параллельно вклюценные входами шесть олнофазных инверторов 3 8. Ицверторь 3 - 5 и 6 - 8 имеют временной сдвигв работе между собой в 20 эл. град., а ицверторы 6 - 8 соответственно относительноинверторов 3 - -5 в работе сдвинуты на60 эл. град.Таким образом, квазисинусоилальцое фазное выходное напряжение (например, фазы С) формируется из геометрически складываемых напряжений вторичных обмоток 15и 16 выходных трансформаторов 11 и 14,имеющих временной сдвиг между собой в60 эл град. Лналогично формируются фазные напряжения других фаз. Для полуценияпрактически синусоидальной кривой вьхолного напряжения с частотой 1 в фазные провода вклюцены лроссели 17 - 19, а междукаждой фазой и нулем включены конденсаторы 20 - 22, образующие совместно выходной Г-образный пассивный 1.С-фильтр. 25Для ограницения перенапряжений вцепях нагрузки преобразователя и на первичных обмотках 26 - 28 трансформаторов29 - 31 напряжения параллельно обмоткекаждого из дросселей 17 - 19 включены идентичные цепи, состоящие из встрецно вклюценных через резистор 23 пороговых элементов 24 и 25 (практическая схема приведена на фиг. 6). Вторичные обмотки 3234 трансформаторов 29 - 31 напряжениясоединены в треугольник и подключены ковходу второго выпрямителя 35. Выпрямленное напряжение второго выпрямителя 35прямо пропорционально зависит от полногофазного тока (1 ), где 1 - полный ток нагрузки преобразователя; 1, - полный ток выходного фильтра. Таким образом, при нагрузке на выходе преобразователя падение напряжения (2 в на обмотке дросселя 7 пропорционально по;ному току нагрузки преобразователя и равно1) 2 с=2 т 11.у (1 а),где 17 - индуктивность дросселя 17; 45- цастота напряжения на выходепреобразователя.Линейное напряжение 1.)в. на вторичнойобмотке 32 трансформатора 29 напряженияравноБ 21- 52 - 50Ктгде К. -- коэффициент трансформации трансформатора 29.В связи с тем, цто вторичные обмотки32 - 34 трансформаторов 29 - 31 соединены втреугольник, выпрямленное напряжение )на выходе неуправляемого второго выпрямителя 35 равноц, ( аа,ца 1,За к; 2,7 гт 1 к,Кт 1 ри цеизмсццои ицлктивцости-, и фиксировдццой частоте 1, цостоянцсй смксс" ц 20- 22 фильтря 1 г = сопя(. 11 ри стабилизированном напряжении цз вхоле преобразователя напряжение Е)2=1/1,1, цто вь- ражастся вцеИнеи хдрзктеристикой 2 цз фиг. 5 (внешняя характеристика второго источника), глс (. ц - начальное выпрямленное цяцряжецис ця выходе второго выпрямителя 35 цри холостом холе преобразователя.Первый выпрямитель 36 подключен ко вхолной сети с частотой Г линейным цджением Ц, тогла выпрямленное напряжение 1 на выходе нерегулируемого первого выпрямителя 36 равно:1,5 1,лв.де )хс - коэффициент трансформации трансформатора 1 ца фиг. 4.Значение напряжения 1 цо цри холостом хслс преобразователя частоты выбирается из ссловия обеспечения устойчивой коммутдцци ицверторов 3 8. При последовательном соединении выпрямителей 35 н 36 цачзльцое напряжение Е сс здрялд коммутирующих конденсаторов выбрано таким образом, чтобы цри холостом ходе, например,Емакс1,.:о = - (;ц+ (.о 2 глс Е- наибольшее допустимое значение выпрямленного напряжения основного источника питания - силового выпрямителя 1 при холостом ходе преобразователя цастоты; ( х - начальное выпрях,еццое напряжение источника заряда коммутируемых конлецсаторов, образованного последовательным соелцнением первого и второго выпрямителей 35 и 36 при холостом холе преобразоватсля частоты.11 ри цормирсхо перегрузке (напрцмер, лвойной) напряжение источника заряда (,. ( Екакс.Внешние характеристики первого выпрямителя 36 1:, = 1(1), второго выпрямителя 35 (.; = 1,),источника заряда 11,- 1(1) и силового выпрямителя 1 (основного источника итания) приведены ца фиг. 5/ соответственно прямыс- 4. Выход истоццика заряда шуцтировац накопительным конденсатором 38, величиной емкости ца порядок выше половины емкости коммутируоцих колеисаторов олгого ицверторя 3 -8. Нзкопитесьцый конденсатор 38 обссцечивает сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения , и лозаряждет коммтиРУюшие коцлецсстоРы ц)и коммхтасии ключевых элементов.Дроссель 37 ограничивает зарядный ток групп 3 - 38 коммутирующих коцленсаторов и ограничивает при коротком замыкании в ицверторах 38 провал напряжения Е источника заряля цри ограниченной моцпости выпрямителей 35 и 36.15 где Г,К 1.-= 1 -1- -выпрямленное напря 5 кс 5 сОсгслиненном выходе источника за)яда в точке подключения к клеммам инвертора ячейки 3 8; Суммарная мощность выпрямителей 35и 36 должна быть больце коммутационных потерь мощности в инверторах 3 - 8 сучетом частоты коммутации и К 11 Д выпрямителей 35 и 36. 5Для рассматриваемого преобразователячастоты частота коммутаций составляетН, = 6 пс= 241,где х, - частота коммутаций преобразователя частоты за 1 с; 10п,частота коммутаций однофазногорегулируемого мостового инвертораза период частотывыходного напряжения, п 1 с = 4 (фиг. 2);количество инверторов 3 - 8(фиг.).Такая же частота пульсаций напряженияЬ, источника заряда от возвращаемойэнергии при коммутации ключевых элементов инверторов. Напряжение Б, источникаползаряла подводится к положительным иотрицательным шинам подзаряда конденсаторов инверторов 38, причем его внешняяхарактеристика соответствует прямой 3 нафиг. 5 (внешняя характеристика последовательно соединенных двух выпрямителейзаряда кОммтируюших конденсаторов). 25Технико-экономические преимуществапредлагаемого устройства по сравнению с известным заключаются в следуОцсем. Предлагаемое устройство имеет источник зарядаконденсаторов, однако последний не позволяет регулировать уровень его напряжения 30пропорционально нагрузке инвертора и, темсамым, обеспечивать снижение коммутационных потерь в инверторе особенно при егонагрузках менее номинальной, что ведет к непроизводительным потерям энергии. Ввиду того, что известное устройство не позволяет 35регулировать уровень напряжения источника,заряда конденсаторов пропорционально нагрузке инверторов, для его реализации необходимо было бы ввести такое устройство(например, на базе трансформаторов тока,включенных в фазные провода на выходеинвертора), что:увеличило бы его весогабаритные показатели. В предлагаемомустройстве источник, заряда коммутирующихконденсаторов состоит из двух последовательно соединенных нерегулируемого первого 45выпрямителя и регулируемого неуправляемого второго выпрямителя, причем первый выпрямитель полклочен вхолом к входной сетипреобразователя.Соотношение напряжений Е первого источника подзаряла и гослелов ггельсо вклюенного с ним второго напряжспи 5 15введенного вьцрямителя выбирпкт из выраженияпостоянное напряжение на выходесуществующего источника заряда (нерегулируемая часть напряжения источника заряда);Ь,=К - регулируемая часть напряжения цепи ползаряда;1 и - ПОЛНЫЙ фсЗНЫЙ ТОК На ВЫХодЕ ПрЕОб -разователя;К - коэффициент пропорциональности,зависящий от схемы выпрямления, величины индуктивности индуктивного элемента фильтра, коэффициента трансформации введенного трансформатора и частоты выходного напряжения: который изменяется практически в пределах 0,001 .- определяет начальное напряжение (в 13 с.1отн. ед.) от первого выпрямителя на коммутируюцих конленсатоэах при холостом ходе преобразователя, а -определяет добаночную величину напряжения (в отн. ел.) на конденсаторах от второго выпрямителя, пропорциональное полному току нагрузки преобразователя. Полный ток состоит из емкостного тока, 1 С-фильтра и тока нагрузки преобразователя. Полный ток, протекая через дроссель 17 в 19, вызывает на них падение напряжения, которое, трансформируясь трансформаторами напряжения 29-31 во вторичные обмотки 32- -34 необходимого уровня, поступает на вход второго выпрямителя 35, выходное напряжение Б которого, складываясь последовательно с напряжением первого выпрямителя, определяет внешнюю характеристику 3 (фиг. 5) источника подзаряда в зависимости от полного тока на выходе преобразователя.Автоматический подзаряд коммутирующих конденсаторов организован так, что в области малых нагрузок инвертора коммутационные потери энергии также относительно небольшие, что обеспечивает снижение потерь энергии.Формула изобретения1. Автономный инвертор напряжения по авт. св. М 312708, Отлинаюи(ийся тем, что, с целью улучшения энергетических и массогабаритных показателей, он снабжен выходным 1.С-фильтром и трансформатором напряжения, первичная обмотка которого подключена гараллегьпо лросселк 1.С-фильтра, а вторичная его обмотка подключена к входу введенного диолного выпрямителя, выход которого с напряжением (;с = К 1 включен согласно послеловагельно с источником подзаряла коммутирующих конденсаторов, причем отношение этих напряжений залают в соответсвии с выражением:К 1 н Г)с-- 1Ц с),где Ь 1 н - К -результирующее напряжение подзаряда коммутируюших конденсаторов;выходной фазный ток инвертора; коэффициент пропорциональности, зависяций от схемы вьшрямления, величины индуктивности дросселя 3.С-ф ил ьтра, коэффи циента тра нсформации введенного трансформа 1 ОсРс 1 Н Чс 1 СТОТЬ 1 ВЫХОДНОГО Нс 1 цсРЯжени я.1.цап)Яжс.нне источникс 1 НОДзс 3 Р 51;3 а.2. И Н ВЕР ГОР НО Н. 1, О)С Шс) НЮЦ ИйС.с 15 тем, что, с целью новыгнсння фу нкцн 0 НЗЛЬНОЙ Нс 3 ДСжн)СТИ, Н 1 ИНЫ Подзс 3 Р 51;3 а КО)1 Х)СТИРУ 10 ЦИХ К)Н;3 СНСсТ03 НОЛКЛК)сн. НЬхказанной цепи нодзаряда через введенныйе)тОР)и 1 1( -фи,1 ьтР.