АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР ТОКА Российский патент 1995 года по МПК H02M7/515 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразователям тока, и может быть использовано для преобразования постоянного тока в переменный со снижением несинусоидальности формы кривой выходного напряжения и повышением устойчивости работы преобразователя.

Известны компенсационные автономные инверторы тока, отличающиеся повышенной устойчивостью работы, в которых коммутирующие конденсаторы периодически перезаряжаются током нагрузки или его частью под действием дополнительных коммутирующих напряжений, пропорциональных току нагрузки. Схемы таких инверторов отличаются относительной сложностью.

Известен автономный трехфазный инвертор тока с отсекающими диодами (Патент США N 4156899, кл. H 02 M 7/515, 1979), имеющий трехфазный тиристорный мост с отсекающими диодами, анодную и катодную группу коммутирующих конденсаторов, соединенных по схеме "звезда". Отсекающие диоды повышают устойчивость коммутации тиристоров при меньших емкостях коммутирующих конденсаторов по сравнению с обычным параллельным инвертором, но реактивная мощность инвертора ограничена. При работе в схемах синхронного и асинхронного электропривода, а также в схемах параллельной работы с синхронным генератором на общую нагрузку возникает необходимость компенсации реактивной энергии инвертора, т. е. увеличения реактивной мощности инвертора, но при этом появляется проблема повышения устойчивости работы инвертора.

Цель предлагаемого изобретения - повышение эффективности компенсации реактивной энергии для повышения устойчивости коммутации тиристоров, увеличения реактивной мощности инвертора, снижение несинусоидальности кривой выходного напряжения при использовании минимального количества конденсаторов.

Для этого в известный автономный инвертор тока, содержащий трехфазный тиристорный мост с отсекающими диодами и коммутирующими конденсаторами, подсоединенными к точкам соединения тиристоров и диодов по схеме "звезда", подключенный выводами постоянного тока через дроссель к источнику постоянного тока, а выводами переменного тока к цепи трехфазной нагрузки непосредственно или через трансформатор, введены два последовательно соединенных конденсатора, подключенных к нулевым точкам анодной и катодной групп коммутирующих конденсаторов и соединенных общей точкой с нулевым выводом нагрузки или нулевым выводом первичной обмотки трансформатора.

С введением конденсаторов по предлагаемым схемам инвертор компенсирует реактивную энергию с использованием ее для повышения уровня напряжения, приложенного к тиристору в фазе закрывания, а также для полезной работы в цепи нагрузки и улучшения формы кривой выходного напряжения, при этом эффективность использования компенсированной энергии повышается за счет выявления импульса тока самоиндукции.

Таким образом, основным признаком, отличающим предлагаемое изобретение от прототипа, является повышение коммутирующего напряжения за счет эффективного накопления энергии на коммутирующих конденсаторах и, следовательно, качественное повышение устойчивости коммутации тиристоров с помощью двух конденсаторов.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема автономного инвертора тока.

Автономный инвертор тока содержит трехфазный мост из тиристоров 1, 2... 6 с отсекающими диодами 7, 8...12, коммутирующие конденсаторы 13, 14, 15 анодной и 16, 17, 18 катодной групп, соединенные по схеме "звезда", компенсирующие конденсаторы 19 и 20, соединяющие нулевые точки анодной и катодной групп коммутирующих конденсаторов с нулевым выводом N нагрузки Z_н.

На фиг. 2 показаны временные диаграммы токов и напряжений конденсаторов анодной группы, иллюстрирующие работу схемы автономного инвертора.

За положительные значения напряжений на конденсаторах принимаются положительные потенциалы на выводах конденсаторов, противоположных нулевой точке. За положительные значения токов принимаются токи, направленные к нулевой точке конденсаторов.

Работа схемы показана на примере коммутации тока с выходящей из работы фазы A на входящую в работу фазу B, когда в момент времени 2 открыты тиристоры 1 и 6, открывается тиристор 2. В этот момент на тиристор 1 действует обратное напряжение и закрывает его, а ток фазы A через тиристор 2 переходит на конденсаторы 14, 13 (i₁₃') и 19 (i₁₉')
i₁₄' = i₁₃' + i₁₉'.

По окончании перезаряда суммарное напряжение на конденсаторах 13 и 14 равно линейному U_ва, а ток в конденсаторе 14 (i₁₃') равен нулю, при этом на конденсаторах 13 и 14 напряжения не равны, т.е. U₁₃ < U₁₄.

С момента затухания тока i₁₉' (i₁₄') до нуля через конденсатор 19 протекает ток самоиндукции фазы A (i₁₃''), при этом конденсатор 13 дозаряжается, а конденсатор 19 перезаряжается. Форма тока i₁₉'' (i₁₃'') носит характер выявленного импульса, следующего за импульсом тока i₁₃'. Время затухания тока i₁₃'' зависит от индуктивности нагрузки, но ограничено моментом времени 4, когда в фазе A ток меняет направление. Кроме упомянутых токов по конденсаторам 13, 15, 16, 17, 19 и 20 протекают токи межфазного обмена:
от фазы B к фазе A: i_ab по цепи B-11-17-20-19-13-7-A;
от фазы B к фазе C: i_bc по цепи B-11-17-20-19-15-9-C.

В результате по конденсатору 13 протекает сумма токов (фиг. 2) i₁₃ = i₁₃' + i₁₃'' + +i_ab + i_bc, которая имеет вид геометрической суммы импульсов токов, разнесенных во времени, т.е. конденсаторы работают как суммы потенциалов импульсов тока. В результате сумма потенциалов двух конденсаторов 13, 14 превышает линейное напряжение U_ab(U_л).

Процесс повторяется циклично и аналогичен для каждого из шести плеч тиристорного моста.

Обратные напряжения для тиристоров анодной группы выражаются суммами абсолютных величин напряжений на конденсаторах в момент времени

Из этих выражений видно, что для момента 1, когда открывается тиристор 1, для закрывания тиристора 3 используется энергия суммирования в конденсаторах 13 и 15 между моментами 2, 4, 3, 5, сопряженные (суммарные) напряжения которых прикладываются к тиристору 3.

Таким образом, наличие компенсирующих конденсаторов позволяет поднять коммутационное напряжение на тиристорах значительно выше приложенного, т.е.

U_обрт > U_d, что объясняет высокую устойчивость работы инвертора в динамических режимах.

Благодаря емкостной компенсации автономный инвертор тока с отсекающими диодами по предлагаемой схеме имеет следующие преимущества: способность компенсировать реактивную энергию индуктивной нагрузки с меньшим числом конденсаторов; повышается устойчивость коммутации тиристоров в широком диапазоне нагрузок; используется компенсированная реактивная энергия для полезной работы в цепи нагрузки с предварительным депонированием ее в коммутирующих конденсаторах; улучшается качество кривой напряжения и тока, что снижает потери в электрических машинах.

Перечисленные преимущества расширяют сферу применения предлагаемого инвертора по сравнению с прототипом и аналогом, он может быть использован в асинхронном и синхронном электроприводе и энергетических установках.

Использование: в преобразовательной технике. Сущность изобретения: устройство содержит трехфазный тиристорный мост с отсекающими диодами и коммутирующими конденсаторами 13 - 18, подсоединенными к точкам соединения тиристоров и диодов по схеме "звезда". Мост подключен выводами переменного тока к цепи трехфазной нагрузки непосредственно или через трансформатор. Два последовательно соединенных конденсатора 19, 20 подключены к нулевым точкам анодной и катодной групп коммутирующих конденсаторов и соединены общей точкой с нулевым выводом нагрузки или нулевым выводом первичной обмотки трансформатора. В устройстве обеспечивается коммутационное напряжение значительно выше приложенного. 2 ил.

АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР ТОКА, содержащий трехфазный тиристорный мост с отсекающими диодами и коммутирующими конденсаторами, подсоединенными к точкам соединения тиристоров и диодов по схеме звезды, подключенный выводами постоянного тока через дроссель к источнику постоянного тока, а выводами переменного тока - к цепи трехфазной нагрузки непосредственно или через трансформатор, отличающийся тем, что введены два последовательно соединенных конденсатора, подключенных к нулевым точкам анодной и катодной групп коммутирующих конденсаторов и соединенных общей точкой с нулевым выводом цепи нагрузки или нулевым выводом первичной обмотки трансформатора.