Автономный инвертор

Союз СоввтскикСоциалистичвсиикРеспублик ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ 4 ЕТЕЛЬСТВУ(5)М. Кл. Н 02 М 7/515 3 Ъеударстеов 1 ые квинтет СССР ао делеи язебретеекк к вткрыткй(53) УДК 621.314. .572(088.8) Онублнковано 15. 06,82. Бюллетень22 Дата опубликования описания 15.06.82(54) АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР Изобретение относится к силовойпреобразовательной технике и можетбыть использовано для электроснабжения на повышенных частотах потребителей с переменной нагрузкой,Известны автономные инверторы, вкоторых устройство стабилизации выходного напряжения выполнено в видеобратного управляемого выпрямителя,выводы постоянного тока которого1 Очерез дроссели подключены к входнымзажимам инвертора11 и21Однако наличие дополнительногокомплекта управляемых вентилей приводит к усложнению силовой схемы ин 15вертора и его системы управления,а включение дросселей большой индуктивности в цепи постоянного тока обратного выпрямителя сопровождаетсяснижением устойчивости при работена двигательную нагрузку.Известен также автономный инвертор, содержащий тиристорный мост,в цепи питания которого включен сглаживающий дроссель, а между выводами переменного тока включены коммутирующие конденсаторы, мост обратных диодов, выводы переменного тока которого соединены с выводами переменного тока тиристорного моста, выводы пос" тоянного тока через компенсирующие дроссели подключены к выводам постоянного тока ти рис торного моста, а та кже трансформатор, включенный между выво" дами переменного тока тиристорного моста и выходными выводами инвертора 31.Данный инвертор характеризуется жесткой внешней характеристикой и устойчивостью при работе на двигательную нагрузку. Однако наличие моментов закорачивания компенсирующих дросселей цепочками последовательно соединенных диода и тиристора приводит к увеличению среднего тока вентиля, снижению КПД и ограничению частотного диапазона,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является6299 фмотки 17 многообмоточных дросселей,18 и 19, а также трансформатор 20,к отпайкам первичной обмотки которого подключены выводы переменного то ка моста обратных диодов 11 - 16.Многообмоточные дроссели 18 и 19 кроме указанных обмоток 17 содержаттакже подмагничивающие обмотки 21,управляющие обмотки 22 и размагничивающие обмотки 23 - 25. Обмотки23 - 25 дросселя 18 через маломощные диоды 26 - 28 соединены междусобой в треугольник, вершйны которого подключены к выводам переменноготока моста 1 - 6.Аналогичным образом соединены че.рез диоды 29 - 31 обмотки 23 - 25дросселя 19.Для схемы инвертора справедливо 20 уравнение: 93 автономный инвертор, содержащий ти 4 ристорный мост с коммутирующими конденсаторами, мост обратных диодов и трансформатор, причем выводы переменного тока моста обратных диодов подключены к отпайкам первичной обмотки трансформатора, а выводы постоянного тока тиристорного моста и моста обратных диодов связаны с шинами питания через обмотки индуктивностей1.Однако для обеспечения работоспособности инвертора необходимо включение в цепь постоянного тока моста обратных диодов дросселей с достаточно большой индуктивностью, что снижает быстродействие инвертора и увеличивает возможность самовозбуждения при работе на двигательную нагрузку. Схема инвертора работоспособна только при наличии активных потерь в силовых элементах. Кроме того, инвертор характеризуетая значительными потерями холостого хода что при резкопеременном характере нагрузки приводит к увеличению расхода электроэнергии.Целью изобретения является улучшение энергетических и динамических характеристик инвертора.Указанная цель достигается тем, что в автономном инверторе обмотки индуктивностей, связанные с одной шиной питания, расположены на общем магнитопроводе, причем одна из обмоток в каждом из двухобразованных таким образом многообмоточных дросселей включена между разноименными по полярности выводами тиристорного моста и моста обратных диодов и каждый из дросселей снабжен подмагничивающей обмоткой и размагничивающими обмотками по числу Фаз инвертора, которые через дополнительно введенные маломощные диоды соединены между собой в треугольник, вершины которого подключены к выводам переменно"го тока тиристорного мостаНа фиг. 1 приведена схема автономного инвертора; на фиг. 2 - М - графики,поясняющие его работу.Автономный инвертор содержит тиристорнцй мост 1 - 6, линейный дроссель 7, коммутирующие конденсаторы 8 - 10, мост обратных диодов 11 - 16, выводы постоянного тока которого соединены с вцводами постоянного тока . тиристорного моста 1 - 6, через обгде Х и т - модуль и аргументфазного сопротивления нагрузки;С и 1. - Фазная емкость коммутирующей батареи8 - 10 и индуктивность обмоток 17дросселей 18 и 19;Ш - круговая частота инвертирования;- угол запирания;35р(р) - некоторая монотонновозрастающая функцияугла, равная нулюпри= О.40Физический смысл уравнения состоит в том, что коммутирующая емкость (левая часть уравнения) расходуется на компенсацию реактивноймощности нагрузки и создание необходимого угла запирания (второе слагаемое правой части уравнения) и компенсацию тока, создаваемого дросселямиобратного моста (первое слагаемоеправой части уравнения). Уравнениеможет быть получено из векторнойдиаграммы, построенной для основныхгармоник (фиг, 2),На фиг. 2 обозначено 0 - фазноенапряжение на выходе инвертора; 1 ток Фазной емкости; 1 1, - ток, генерируемый обратным мостом; 11, , 11 индуктивная и активная составляющиетока нагрузки; 1 - результирующийток на выходе инвертора.5 93 б 2Исходя из приведенного уравнения, механизм стабилизации выходного напряжения может быть истолкован следующим образом.При разгрузке инвертора возрастает 5 угол Р и следовательно растет первое слагаемое в правой части уравнения (за счет возрастания ф (Р ).Это влечет меньшее увеличение второго слагаемого, т.е. уменьшение СОВ 3; 10 Таким образом, наличие обратного моста приводит к меньшему росту угла 1 Ъ при разгрузке инвертора,чем при его отсутствии. Это и ведет к стабилизации выходного напряжения.При этом, чем меньше величина индуктивности 1. обмоток 17, тем больше увеличивается (при этом же изменении нагрузки) первое слагаемое пра-, вой части, и следовательно тем жест- О че внешняя характеристика инвертора.Оцениваем величину емкости, которая необходима для создания требуемого угла запирания 11 в режиме полной загрузки преобразователя, Из уравнения находим . ЛО Поясняем назначение обмоток 23- 25, . токи которых пропорциональны выходному напряжению. В статическом режиме достаточно предусмотреть управление только составляющей напряженности Н, Однако .наличие значительной индуктивности катодного реак" 1 з 1 п(Ф 1 + 3)ф1.О) СО 530Индекс "Н" при. углахиу азывает на то, что уравнение рассмат- ривается для номинального режима.Емкость оказывается тем больше, чем больше уголи меньше индук 35 тивность , Таким образом, чем жестче требуется внешняя характеристика, тем больше требуется коммутирующая емкость. В предлагаемой схеме этот недостаток устранен, так как индуктивность 1 сделана зависящей от угла. Именно эта индуктивность максимальна при малом ф (номинальный режим)и минимальна при большом(режим холостого хода).Такая зависимость индуктивностиреализована с помощью подмагничивания его сердечника. На фиг. 3 показана предельная петля намагничивания. Система изменения магнитно 50 го состояния сердечника должна обеспечивать в режиме холостого хода инвертора состояние, соответствующее точке А, а в номинальном режиме- состояние, соответствующее точке В.ч 55 Действительно, пусть рабочии ток дросселя, осуществляющий компенсацию избыточной реактивной мощности коммутирующей батареи, перемагничивает сердечник вдоль положительного направления напряженности. Тогда индуктивность обмотки, па которой протекает этот ток, максимальна, еслиначальное состояние соответствуетточке А и минимальна, если оно соответствует точке В.В качестве управляющих сигналов,обеспечивающих нахождение сердечникав требуемых состояниях, могут бытьвыбраны ток, потребляемый инверторомот источника постоянного напряжения,и так, пропорциональный выходномунапряжению.В номинальном режиме ток, потребляемый от источника, максимален,а напряжение инвертора минимальна.Наоборот, в режиме холостого ходапотребляемый ток минимален, а напряжение инвертора - максимально,Поэтому обмотки управляющая 22 (стоком источника) и размагничивающие23 - 25 ( с токами, пропорциональными выходному напряжению, должныбыть намотаны на сердечник так, чтобы управляющая напряженность удовлетворяла равенству:НЯ - Н 14 Нигде Н, - напряженность, создаваемая1(током, потребляемым от источника постоянного напряжения;Н - напряженность, создаваемаяи,током, пропорциональным напряжению инвертора,Помимо этих обмоток необходиманамагничивающая обмотка 21, обеспечивающая фиксацию магнитного состояния сердечника в точках А и Вс учетом петли конкретного матери 4"ла.Таким образом, в исхо дном состоянии ( перед возникновением каждого им"пульса компенсирующего тока черезобмотку 17), напряженность определяется по формулеНУ + Нсм -Н 1 а Ни + Нсм фНа фиг. 3 показаны величины результирующих напряженностей в двухкрайних режимах.7 93629 тора в цепи источника ухудшает быстродействие процесса управления величиной индуктивности (, . В момент отключения нагрузки ток источника 1 с 1 уменьшается медленнее, чем уве личивается напряжение на выходе ин - вертора. Наличие обмоток 23 - 25 компенсирует в переходном режиме это отставание, так как быстро возрастающее напряжение увеличивает составляю ф щую напряженности Ни , что уменьшает результирующую напряженность управления Н= Но- Ни, Аналогично протекает йереходный процесс и при набросе нагрузки. После окончания переходного процесса ток, потребляемый от источника, достигает нового установившегося значения, а выходное напряжение, после кратковременного возрастания ( или уменьшения) дости гает значения, близкого к номинальному, При этом происходит требуемое перераспределение долей составляющих Н 1 с 1 и Ни в результирующей напряженности. 25Таким образом, размагничивающие обмотки 23 - 25 служат для увеличения быстродействия процесса регулирования величины индуктивности ЬМалая инерционность обмоток 23 25 определяется способом их питания выходным напряжением инвертора, при котором каждая из обмоток проводит ток в течение времени, не превосходящем полпериода выходной частоты.Обмотки 23 - 25 и диоды 2 б - 28( или 29 - 31), стоящие последовательно с ниии, являются маломощными,так как необходимая величина напряженности Н 1, может быть создана засчет соответствующего выбора числавитков.Нафиг. 4 приведены графики зави 45симости коэффициента нагрузки В и коэффициента использования тиристора Кот номинального угла запирания ,рассчитанные для предлагаемой схеЯКоэффициент В рассчитывается поформуле Коэффициент использования тиристора К , рассчитываемый по формулед у.Т 1 срноми характеризует отношение амплитудного значения тока тиристора (и диода) в режиме холостого хода 1 щк среднему току тиристора в номинальном режиме 1 т.ср.иом Графики построены для различных значений отношения 5 величины индуктивности реактора в номинальном режиме 1, и индуктивности его в режиме. холостого хода 1. , т.е,:= н"хПри этом 51 соответствует не- регулируемому реактору.Приведенные графики соответствуют 104 нестабильности напряжения инвертора, т.е.(О - О)/О = 0,1где О, и Ои " напряжение на выходев режиме холостогохода и в номинальномрежиме,Сравнение графиков показывает,чтоувеличениепозволяет значительноуменьшить установленную мощностьконденсаторной батареи и тиристоров,однако выбирать 5 ) 5 нецелесообразно,Недостатком известного инвертораявляется то, что через тиристорныймост проходит не только активнаямощность нагрузки, но и активнаямощность обратного диодного моста,под которой понимается величина, определяемая соотношениемРВ =Од 1где О- напряжение источника питания;1 - среднее значение тока цир- Вкуляции.Из уравнения энергетического баланса 41 имеем:В = 1 Л 1 ЮС = Ьн Я где и характеризует величину установ 55 ленной мощности коммутирующей бата.реи 0, по отношению к полной мощности нагрузки в номинальном режиме 5 И. реактивная мощность конденсаторов 8 - 10; реактивная мощность нагрузки;активная мощность нагрузки.+ 1 два 9Используя эту зависимость, не 25трудно показать, что отношение среднего значения тока рабочего тиристора в режиме холостого хода к среднему значению при максимальной загрузке при указанных выше для схемы 41 значенияхи СонагрузЗв ки не превышает 0,67.Таким образом,в предлагаемой схеме автономного инвертора активнцепотери в режиме холостого хода существенно меньше, чем в схеме 4 .35 Отсюда видно, что эффективность использования вентилей схемы 14 по току зависит от коэффициента мощности нагрузки и номинального угла запирания.При углах запирания Ь, находящихся в пределах 5 - 30 эл.град, и коэффициенте мощности нагрузки, равном 0,7, средний ток вентилей схемы 4 в режиме холостого хода возрастает по сравнению с режимом мак- . симальной нагрузки от 2,73 до 6,67 разбольшее число соответствует меньшей величине угла запирания Р). При меньшей величине коэффициента мощности .нагрузки кратность изменения токов еще больше.Искусственное завышение величины угла запирания Р для уменьшения отношения .19/Эд в соответствии с приЬй 45 веденными ура внениями не эффективно, так как сопровождается резким увеличением установленной мощности батареи коммутирующих конденсаторов.Таким образом,.режим холостого хода является расчетным для схемы Г 4, причем в соответствии с указанными кратностями тока должны выбираться как вентили схемы, так и ее электромагнитные аппараты.8 предлагаемой схеме инвертора кривая тока тиристора является суммой двух составляющих:т = 1 та + т(1 у Важным преимуществом предлагаемого инвертора перед известным является также то, что он может быть реализован на элементах, принципиально не обладающих активными потерями, Это обстоятельство делает схему предлагаемого устройства перспективной при соответствующем развитии силовой элементной базы, построенной на основе явления сверхпроводимости. Предлагаемое устройство обладаетболее высоким быстродействием посравнению с известным 4 за счеттого, что реакция системы стабилизации выходного напряжения на изменение параметров нагрузки представляет собой последовательность импульсов. Это определяется тем, что 55в прерывистом режиме исключаетсявлияние инерционности индуктивныхэлементов на инерционность системыстабилизации по огибающей переходного процесса. 9 936299 1 О 8 режиме холостого хода составляю- где- составляющая обусловленн 1,та щие полнои мощности н а груз ки ра вны током, потребляемым от иснулю, т.е. точника питания; Р = 0 н-- составляющая, обусловленная 8 результате получаем 5 током компенсации проте 1О = Р+ЕР кающим через обмотки 17При максимальной нагрузке инверто- дРосселей 18 и Ра Р 1 = 0 Ри= Рнваж следовательно При разгрузке инвертора составляюс= Ри-(9+ 9) щая таф 0, а составляющая т предгде Т - аргумент полного сопротив-ставляет колоколообразный импульс токапения нагрузки. с амплитудойИз уравнений для двух граничных режимов получаемо9 Р кюлсе ( 9 Т 9 Р) Т Р = а цч .15еХ где О 1,- амплитуда напряжения, погде 36 - средний ток тиристорного мосдаваемого на диоднцй мост та при максимальной загрузс отпаек трансформатора.ке, Среднее значение тока вентилей то, с учетом выражения для опреде- в режиме холостого хода; ления Р, последнее уравнение может 201 быть переписано следующим образом: Ом93629Другие преимущества предлагаемого устрайствв Перед известным11 срс. тоят в следующем.Размещение обмоток индуктивностей, связанных с одной шиной % питания, на общем магнитопроводе приводит к улучшению массогабаритных показателей.Изменение магнитного состояния многообмоточных дросселей в зависимости от параметров нагрузки благоприятно сказывается на пусковых ха" рактеристиках инвертора. Это связано с тем, что при включении инвертора на холостом ходу эквивалентная вели ф чина индуктивного сопротивления в цепи питания тиристорного моста оказывается меньше, чем при работе на номинальную нагрузку.формула изобретения. Автономный инвертор, содержащий тиристорный мост с коммутирующими 25 конденсаторами, мост обратных диодов и трансформатор, причем выводы переменного тока моста обратных диодов подключены к отпайкам первичной обмотки трансформатора, а выводы пос- щ тоянного тока тиристорного моста и моста обратных диодов связаны с шина ми питания через обмотки индуктив 9 12ностей, отличающийсятем, что, с целью улучшения энергетических и динамических характеристик, обмотки индуктивностей, связан"ные с одной шиной питания, расположены на общем магнитопроводе, причем одна,из обмоток в каждом иэ двухобразованных таким образом многообмоточных дросселей включена междуразноименными по полярности выводамитиристорного моста и моста обратныхдиодов, а каждый из дросселей снабжен подмагничивающей обмоткой и размагничиваоцими обмотками по числуфаэ инверторакоторые через дополнительно введенные диоды соединенымежду собой в треугольник, вершиныкоторого подключены к выводам переменного тока тиристорного моста.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США М 3768001,кл. Н 02 М 7/48, 1973.2. Ковалев Ф,И, и др. Судовые ста"тические преобразователи. Л.,"Судостроение", 1965, с. 129; рис. 49.3. Кантер И.И. Статические преобфраэователи частоты. Иэд-во Саратовского университета, 1966; с. 300,рис. 7 - 34. Раскин Л.Я.Стабилизированныеавтономные инверторы тока на тиристорах М.,"Энергиянв 1970, с. 29, рис.9.936299 2 И И д ЯР Ю Составитель Г.Мыцыкедактор И.Митровка Техред К,Мыцьо рректор А.Дзятк Й/69 Тираж 721 Подписное НИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 1/5Заказ филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная