Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное

и ) 731534 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕЛ ЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУСоюз СоветскихСоциалистических Республик 61) Дополнительное к авт. свид 2) Заявлено 17.09,76 (21) 240464724-0 Кл.2Н 02 М 7/53 с присоединением заявк Государственный комите(088.8) открытии 45) Дата опубликования описания 30.04.8 72) Авторы изобретени И,алюс, Г. С, Мыцык, А. И. Чернышев и А. В. Чеснокосковский ордена Ленина энергетический институт 71) Заявитель) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГОВ ТРЕХФАЗНОЕ 2 Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при построении вторичных трехфазных источников питания для частотного запуска и управления электроприводом переменного тока малой мощности (до единиц кВА), работающим как на переменную, так и на постоянную нагрузку, в тех случаях, когда требуется согласование уровней напряжении питающей сети и потребителя.Известны инверторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения, обеспечивающие уменьшение искажений выходного тока, например 1, Наряду с возможностью изменения выходной частоты в этих инверторах в принципе возможно также известными способами осуществить регулирование выходного напряжения. Указанный инвертор имеет оестрансформаторный выход.Известно, что в ряде случаев применения требуется согласование уровней напряжения питания и напряжения на нагрузке. Наиболее широко применяемым средством решения этой задачи является установка на выходе инверторов согласующего трансформатора,Однако приа также приэлектро приводе низких выходных частотах, использовании инвертора в с частотным запуском и управлением применение трансформатора становится невозможным или ограничено из-за резко увеличивающихся габаритов. Известны устройства, решающие задачу согласования уровней напряжения по структуре конвертор - инвертор. При этом конвертор обеспечивает повышение напряжения питания до требуемого уровня и работает на повышенной промежуточной частоте. 1-1 о при такой структуре процессы преобразования энерпш становятся необратимыми; работы преобразователя на двигатель в режиме рекуператнвного торможения с возвратом энерпш в сеть оказывается невозможной. Этим преобразователям присущи и другие недостатки: элементы инвертора работают при повышенном напряжении, кроме того, затрудняется введение токовой обратной связи в транзисторы инвертора, работающего на низких и сверхнизких (доли Гц) частотах, при изменяющейся нагрузке. Увеличение питающего напряжения в транзисторном инверторе обусловливает рост динамических потерь, а при уменьшении нагрузки в нем возникают сквозные токи; вызванные перенасыщением транзисторов, В инверторах, осуществляющих ШИМ выходного напряжения, эти эффекты проявляются еще сильнее из-за возрастающего числа переключений транзисторов, что приводит к снижению КПД и ухудшению энергетических показателей,В некоторых случаях для обеспечения возврата активной мощности в питающую сеть (при рекуперативном торможении) преобразователи по структуре конвертор - инвертор снабжают дополнительным инвертором, цепью питания подключаемым к выходным зажимам моста обратного тока инвертора 2. Однако такое решение достаточно сложно.Наиболее близким по существу технического решения к изобретению является преобразователь 3). Он содержит промежуточное высокочастотное инвертирующее звено, которое выполнено в виде трех однофазных инверторов, схему управления, обеспечивающую сдвиг фазных напряжений на 120 эл. град. с частотой напряженияК выходным выводам инвертирующего .звена подключены первичные обмотки трансформаторов, вторичные обмотки которых подсоединены одноименными концами к входным выводам двух диодных мостов. На выходах этих диодных.мостов включены закорачивающие, полностью управляемые ключевые элементы, управляющие входы которых подключены к задающему генератору другой модулирующей частоты . Средние точки вторичных обмоток упомянутых трансформаторов образуют трехфазный выход преобразователя, где имеет место напряжение с двухполярной ШИМ. Частота основной гармоники выходного напряжения (тока) при этом равна=-мК недостаткам такого преобразователя следует отнести относительную сложность его силовой части.Целью настоящегопредложения является упрощение преобразователя путем уменьшения числа вторичных обмоток.Поставленная цель достигается тем, что в известном преобразователе, содержащем инвертор одной частоты с двумя выходными трансформаторами, каждый из которых имеет вторичную обмотку со средней точкой, причем одни разноименные концы этих обмоток подсоединены к двум входным выводам одного трехфазного моста, другие разноименные концы - к двум входным выводам другого трехфазного моста, два выходных вывода преобразователя образованы средними точками этих обмоток, а выходы диодных мостов зашунтированы ключевыми элементами, управляющие входы которых связаны с задающим генератором другой частоты, третий выходной вывод преобразователя подключен к точке соединения третьих входных выводов трехфазных мостов.Инвертор может быть выполнен как в виде двух однофазных инверторов, так и в виде мостового трехфазного инвертора. В последнем случае весь преобразователь упрощается за счет уменьшения числа силовых элементов в инверторе, поэтому в дальнейшем рассматривается именно такой вариант.б На фиг. 1 представлена принципиальнаясхема предлагаемого преобразователя с промежуточным высокочастотным инвертирующим звеном в виде трехфазного мостового инвертора (а) и один из вариантов 10 выполнения такого звена в виде двух однофазных инверторов с фазовым сдвигом выходных напряжений на 120 эл, град. (б).На фиг. 2 показаны временные диаграммы, поясняющие принцип работы преобра зователя; на фиг, 3 - временные диаграммы, поясняющие принцип формирования регулируемого (линейного и фазного) напряжения трехфазного мостового инвертора при симметричном законе переключения 20 транзисторов (а) и при несимметричномзаконе (б); на фиг, 4 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы регулируемого по напряжению преобразователя.2 б Преобразователь (фиг. 1) содержит промежуточное высокочастотное инвертирующее звено 1, выполненное в виде трехфазного мостового инвертора на транзисторах 2 - 7 и диодах 8 - 13 обратного тока, между ЗО выводами инвертора включены первичные.обмотки 14, 15 трансформаторов 16, 17. Управляющие входы 18 - 23 транзисторов инвертирующего звена подключены к системе 24 управления (СУИ). Вторичные обмотки 25, 26 трансформаторов 16, 17 подсоединены к входам диодных мостов 27, 28 разноименными концами. Обмотка 25 подключена к входному выводу диодного моста 28 своим концом, а к входному выводу диод О ного моста 27 - своим началом, а обмотка26 - наоборот, началом к мосту 28 и концом к мосту 27. На выходах этих диодных мостов по постоянному току включены магнитно-транзисторные ключевые элементы, 4 выполненные на силовых транзисторах 29,30, последовательно с эмиттерколлекторными переходами которых включены первичные обмотки трансформатора 31 тока, вторичные обмотки которого через вспомогательные транзисторы 32, ЗЗ подсоединены к эмиттербазовым переходам силовых транзисторов 29, 30. Управляющие входы 34, 35 вспомогательных транзисторов подключены к системе 36 управления ключевыми элементами (СУК), Средние точки 37, 38 вторичных обмоток 25, 26 трансформаторов образуют два выходных вывода преобразователя, а третий - 39 образован точкой соединения диодов 40, 41 одного из мо 60стов с точкой соединения диодов 42, 43 другого моста.Для стабилизации коэффициента насыщения транзисторов 29, 30 при изменении нагрузки преобразователя ключевые эле 65менты выполнены по схеме с использовани 73153411015 ем трансформатора тока. Для ликвидации возможности возникновения сквозных токов между закорачивающими транзисторами в момент переключения диодных мостов все обмотки упомянутого трансформатора тока выполнены на общем сердечнике.Принцип формирования выходного напряжения нерегулируемого по напряжению варианта преобразователя поясняется временными диаграммами на фиг. 2, где показаны: У 05 - форма напряжения на обмотках 14, 15 трансформаторов 16, 17, с частотой / фазовый сдвиг между напряжениями составляет 120 эл, град. (период Т = 15); Узь 095 - сигналы управления, подаваемые на входы вспомогательных транзисторов 32, 33 соответственно, с частотой(период Т = 1/Г. ); Уз-, - У 39 форма выходного фазного напряжения преобразователя. Выходная частота основной гармоники напряжения (показана пунктиром) равна /г =-(период Тг = = 1/Рг)При регулировании соотношение частот Дцелесообразно изменять в диапазоне 0,8 - 1,2, при этом частоту /, выбирают фиксированной, а регулирование /г осуществляется за счет изменения / по заданному закону (хотя в общем случае это не принципиально). Для обеспечения улучшенного качества выходного тока преобразователя частоту промежуточного инвертирующего звена целесообразно выбирать в 5 - 10 раз выше максимально требуемого значения Выходной частоты 12. В случае нерегулируемого по напряжению варианта преобразователя на управляющие входы 18 - :23 транзисторов 2 - :7 инвертора 1 (фиг. 1,а) подают трехфазную систему сигналов от СУИ, обеспечивающей простейший 180-градусный закон управления. Регулирование напряжения преобразователя может быть осуществлено несколькими способами. Одним из возможных алгоритмов управления транзисторами инвертора 1 является так называемыи симметричный алгоритм. Суть его состоит в том, что в интервале угла проводимости каждого ключа инвертора от л/3 до 2 л/3 осуществляют широтно-импульсную модуляцию путем введения симметрично- регулируемого угла а. Следует отметить, что когда в зоне л/3 - 2 л/3 угла проводимости каждого ключа инвертора начинает протекать инверсный ток, в выходном напряжении появляются искажающие импульсы, которые приводят к изменению параметров спектра. Избежать искажающего действия реакции нагрузки можно при соответствующей модификации алгоритма, т. е. путем введения дополнительных импульсов, в алгоритмах переключения каждого из ключей на интервале (4 л/3 - :Зл/2) + (с - 1)2 л/3, на фиг, З,а они 20 25 Зо 35 40 45 50 55 60 65 заштрихованы. К недостаткам такого способа регулирования можно отнести увеличенное число переключений транзисторов инвертора.В том слу чае, когда потребитель безразличен к фазовым уходам напряжения, энергетически целесообразнее применять несимметричные алгоритмы. При этом число переключения ключей инвертора уменьшается.На фиг. 3 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип формирования регулируемого напряжения по симметричному (фпг. З,а) и несимметричному (фиг. З,б) алгоритмам при работе на активную нагрузку. Здесь а - угол регулирования напряжения. На фпг. 4 приведены диаграммы, поясняющие принцип формирования регулируемого напряжения преобразователя. На ней представлены: У, 015 - форма напряжения на обмотках 14, 15 трансформаторов 16, 17; Узы Уз, - сигналы управления, подаваемые на входы 22, 23 вспомогательных транзисторов соответственно; Узг в 0 форма выходного фазного напряжения преобразователя,По сравнению с известным решением, промежуточное инвертирующее звено высокой частоты которого выполнено в виде трех однофазных инверторов и трех трансформаторов, предлагаемый преобразователь имеет на одну инверторную ячейку и на один однофазный трансформатор меньше. Это упрощает устройство. В случае выполнения промежуточного высокочастотного звена в виде трехфазного мостового инвертора вместо трехфазного трансформатора, согласно предложению, включают два однофазных, что также упрощает преобразователь и делает его более технологичным (изготовление трехфазного трансформатора на частоты порядка десятков кГц встречает значительно большие технологические трудности, чем тороидальных однофазных трансформаторов). Так как трансформаторы промежуточного высокочастотного инвертирующего звена работают на частотах, примерно на порядок более высоких, чем максимальная выходная частота преобразователя, и независящих от нее при регулировании этой частоты (/2), последний обладает уменьшенными массой и габаритами. Кроме этого, преобразователь обеспечивает улучшенное качество выходного тока.Предложенный преобразователь может применяться во всех тех случаях, где требуется преобразование постоянного напряжения одного уровня в трехфазное напряжение другого уровня, заданной фиксированной или регулируемой частоты от долей Гц до единиц кГц с одновременным регулированием напряжения.731534 Г11 Формула изобретен ия Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное, преимущественно для частотно-управляемого электропривода, содержащий инвертор одной частоты с двумя выходными трансформаторами, каждый из которых имеет вторичную обмотку со средней точкой, причем одни разноименные концы этих обмоток подсоединены к двум входным выводам одного трехфазного моста, другие разноименные концы - к двум входным выводам другого трехфазного моста, два выходных вывода преобразователя образованы средними точками этих обмоток, а выходы диодных мостов зашунтированы ключевыми элементами, управляющие входы которых связаны с задающимгенератором другой частоты, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью упрощения пу 5 тем уменьшения числа вторичных обмоток,третий выходной вывод преобразователяподключен к точке соединения третьихвходных выводов трехфазных мостов.Источники информации,1 О принятые во внимание при экспертизе1. Патент США3573601, кл, 321 - 9,1971.2, Заявка Японии49 - 15289, кл. 56 В 4,1974.15 3. Авторское свидетельство по заявке2387203/07, кл. Н 02 М/537, 1975.731534 грцк. Ф едактор И. Грузов Заказ 756/15 Изд.286 Тираж 798 Подписно НПО Поиск Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5 Типография, пр. Сапунова, 2 ставитель Г. Огнев Техред В, Серяко Корректоры: В. Петров и Р. Беркови