ВЕНТИЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК H02M7/219 H02M7/23 H02M7/25 

Предлагаемое изобретение относится к области полупроводниковой преобразовательной техники и может быть использовано для энергоэффективного (с синусоидальным входным током, синфазным с напряжением сети) преобразования переменного тока в регулируемый постоянный и переменного тока в регулируемый по напряжению и частоте переменный ток. Такие преобразователи применимы как источники постоянного и переменного напряжения с регулируемыми в широком диапазоне параметрами прежде всего для регулируемого электропривода постоянного и переменного тока, для электротехнологических установок.

Известен вентильный преобразователь переменного тока в постоянный, характеризующийся синусоидальным входным током, синфазным с напряжением сети, содержащий каскадно включенные неуправляемый выпрямитель, широтно-импульсный преобразователь постоянного напряжения в постоянное, выходной емкостной фильтр (см. Флоренцев С.В. Активная коррекция коэффициента мощности преобразователей с однофазным выпрямителем на входе. Электротехника, 1992. N 3, с. 28-32, где рассмотрен однофазный вентильный преобразователь).

Подобным же образом строится вентильный преобразователь с питанием от трехфазной сети.

Однако указанный вентильный преобразователь имеет те недостатки, что не позволяет регулировать в широком диапазоне выходное напряжение, не позволяет менять его полярность, не позволяет изменять направление передачи активной мощности из сети переменного тока в сеть постоянного тока.

Известен также вентильный преобразователь, являющийся прототипом (В.Т. Ooi, J.C. Salmon, J.W. Dexan, А.В. Kulkarni. A Three-phase Controlled Current PWM Converter with Leading Power Factor. IEEE Transactions. 1987, V. IA-23, N 1, P. 78-84), содержащий, как можно видеть из принципиальной схемы (см. приложение), следующие блоки, соединенные последовательно по отношению к трехфазному входу преобразователя, а именно входной трехфазный трансформатор ВТ, фильтр переменного тока инвертора ФИ в виде последовательно включенных дросселей, трехфазного автономного инвертора напряжения по мостовой схеме АИ, накопительного фильтра на выходе инвертора НФ, выполненного в виде конденсатора, к которому подключается нагрузка Н.

Данный вентильный преобразователь выполняет преобразование переменного тока в постоянный, обеспечивая при этом синусоидальный входной ток с любой заданной фазой относительно питающего напряжения. Кроме того, он обеспечивает возможность рекуперации энергии из нагрузки в сеть. Однако данный преобразователь не может регулировать выходное напряжение в широком диапазоне, не позволяет изменять полярность выходного напряжения, не обеспечивает поддержание входного коэффициента мощности, равным единице, во всех режимах работы, не дает возможности получать переменное напряжение на выходе, а также имеет ограниченную предельную выходную мощность, определяемую предельной мощностью шести вентилей (одной преобразовательной цепи) без применения схем их последовательно-параллельного включения.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание вентильного преобразователя, имеющего синусоидальный, синфазный с напряжением, входной ток во всех режимах работы, получение полного диапазона регулирования выходного напряжения с возможностью его реверса, формирование при необходимости переменного напряжения заданной формы на выходе, а также увеличение в два раза предельной выходной мощности без использования комбинированного включения вентилей за счет использования двух преобразовательных цепей и участия в формировании выходной мощности двенадцати вентилей.

Это достигается тем, что в известном вентильном преобразователе, содержащем преобразовательную цепь из последовательно включенных входного трехфазного трансформатора, фильтра переменного тока инвертора, вентильного блока трехфазного мостового автономного инвертора с накопительным фильтром в звене постоянного напряжения инвертора введена вторая аналогичная преобразовательная цепь и на вход каждой цепи последовательно с нею дополнительно включены трехфазные мостовые выпрямители с входными фильтрами переменного тока выпрямителя, при этом выходы выпрямителей включены последовательно или параллельно и образуют выход вентильного преобразователя, а входные трехфазные трансформаторы каждой цепи выполнены с двумя системами трехфазных обмоток, при этом первичные обмотки одного трансформатора соединены звездой, а второго - треугольником, и входы каждой трехфазной системы первичных обмоток трансформаторов соединены соответственно по фазам вместе, образуя трехфазный вход вентильного преобразователя.

Также это достигается тем, что в вентильном преобразователе трехфазный мостовой автономный инвертор может быть выполнен в виде инвертора напряжения, при этом фильтр переменного тока инвертора представляет собой последовательно включенные в фазы дросселя, а накопительный фильтр в звене постоянного напряжения инвертора выполнен в виде конденсатора.

Также это достигается тем, что в вентильном преобразователе трехфазный мостовой автономный инвертор выполнен в виде инвертора тока, при этом фильтр переменного тока инвертора выполнен конденсаторным с соединением конденсаторов в треугольник или звезду, а накопительный фильтр в звене постоянного напряжения инвертора выполнен в виде дросселя.

Также это достигается тем, что в вентильном преобразователе трехфазные мостовые выпрямители выполнены реверсивными.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого вентильного преобразователя с выполнением блока автономного инвертора в виде инвертора напряжения. На фиг. 2 приведена блок-схема предлагаемого преобразователя с выполнением блока автономного инвертора в виде инвертора тока. На фиг. 3 приведены векторные диаграммы токов и напряжений предлагаемых преобразователей.

Предлагаемый вентильный преобразователь (фиг. 1) содержит две структурно аналогичные преобразовательные цепи ПЦ1 и ПЦ2 (1 и 2), включенные параллельно по входу и параллельно или последовательно - по выходу. Каждая из двух преобразовательных цепей состоит из последовательно включенных трехфазного мостового выпрямителя В1 и В2 (3 и 4), фильтра переменного тока выпрямителя ФВ1 и ФВ2 (5 и 6), вторичной системы обмоток входного трехфазного трансформатора ВТ1 и ВТ2 (7 и 8), фильтра переменного тока инвертора ФИ1, ФИ2 (9 и 10), вентильного блока трехфазного мостового автономного инвертора АИ1, ДИ2 (11 и 12) с накопительным фильтром НФ1, НФ2 (13 и 14) в звене постоянного напряжения инвертора. Первичные обмотки входного трансформатора 7 первой преобразовательной цепи 1 соединены в звезду и соединены с соответствующими фазами первичных обмоток входного трансформатора 8 второй преобразовательной цепи 2, которые включены в треугольник. Указанные точки соединения обмоток образуют входные зажимы вентильного преобразователя. Выходные зажимы вентильного преобразователя образуют соединенные последовательно или параллельно выходы трехфазных мостовых выпрямителей 3 и 4, к которым подключается нагрузка 15.

Для наглядности описания рассмотрим конкретное выполнение блоков предлагаемого вентильного преобразователя как в прототипе, т.е. вентильный блок трехфазного автономного инвертора АИ1, АИ2 выполним по схеме инвертора напряжения на полностью управляемых вентилях (транзисторах, запираемых тиристорах), шунтированных обратными диодами. Тогда накопительный фильтр НФ1 и НФ2 в звене постоянного напряжения инвертора должен быть конденсатором, а фильтр переменного тока инвертора (ФИ1 и ФИ2) - дросселем. Фильтр переменного тока выпрямителя ФВ1, ФВ2 выполнен в виде трех конденсаторов, включенных на входе выпрямителя в звезду или треугольник.

Структурно-принципиальная схема предлагаемого вентильного преобразователя во втором исполнении приведена на фиг. 2. Он также имеет две преобразовательные цепи ПЦ3 и ПЦ4 (1 и 2), каждая содержащая соединенные последовательно включенные трехфазный мостовой выпрямитель В1 и B2 (3 и 4), фильтр переменного тока выпрямителя ФВ1, ФВ2 (5 и 6), вторичную систему обмоток входного трансформатора ВТ1 и ВТ2 (7 и 8), фильтра переменного тока инвертора ФИ3 и ФИ4 (9, 10), выполненного в виде конденсаторов, включенных между фазами инвертора, вентильного блока трехфазного мостового автономного инвертора тока АИ3 и АИ4 (11, 12), выполненного на полностью управляемых вентилях (транзисторах, запираемых тиристорах), с накопительным фильтром НФ3 и НФ4 (13 и 14) в звене постоянного напряжения инвертора, выполненного в виде дросселя. Нагрузка Н15 подключена к выходам выпрямителей В1 и В2 (3, 4).

Вентильный преобразователь работает следующим образом. Автономные инверторы напряжения 11 и 12 (фиг. 1) управляются любым известным методом синусоидальной широтно-импульсной модуляции (см. Зиновьев Г.С. Прямые методы расчета энергетических показателей вентильных преобразователей. - Новосибирск, НГТУ, 1990. с. 124-156). Так как частота коммутации в инверторе на транзисторах на 2-3 порядка выше частоты напряжения питающей сети, то даже при небольшой индуктивности дросселей фильтров 9 и 10 переменного тока инверторов, форма напряжений за фильтром и форма фазных токов будет практически синусоидальной. Сдвиг токов инвертора по отношению к его соответствующим фазным напряжениям будет практически равен четверти периода, так как эти токи могут быть только реактивными из-за отсутствия источника активной мощности в звене постоянного напряжения инвертора. Геометрическая сумма напряжения сети U и напряжения инвертора Uи по каждой фазе Uв прикладывается на вход вентильного блока трехфазного мостового выпрямителя. При этом фазовые сдвиги ψ напряжений инверторов 11 и 12 по отношению к фазным напряжениям сети на вторичных обмотках входных трансформаторов 7 и 8 равны по величине и противоположны по знаку, как это показано на векторных диаграммах для первых гармоник напряжений и токов первой (фиг. 3,а) и второй (фиг. 3,б) преобразовательных цепей. Прямые углы между векторами отмечены необозначенной дугой. Результирующий вектор тока в сети I находится в фазе с напряжением сети, что следует из геометрического суммирования входных токов I₁ и I₂ двух преобразовательных ячеек, как изображено на фиг. 3,в. При построении векторных диаграмм пренебрегаем падением напряжения по первой гармонике на дросселях входных фильтров 9 и 10 инверторов ввиду малости их индуктивностей. Возможно использование индуктивностей рассеивания сетевых трехфазных трансформаторов 7 и 8 вместо индуктивностей указанных дросселей. Кроме того, при использовании в автономных системах в качестве источника входного напряжения синхронного (асинхронного) генератора его обмотки будут включены непосредственно в схему на место вторичных обмоток трансформаторов, которые в этом случае не требуются.

При одноквадрантных выходных характеристиках вентильного преобразователя трехфазные мостовые выпрямители 3 и 4 могут быть выполнены на диодах, так как регулирование выходных напряжений выпрямителей осуществляется методом амплитудной модуляции входных напряжений выпрямителей за счет изменения напряжений инверторов 11 и 12.

При двухквадрантных выходных характеристиках вентильного преобразователя трехфазные мостовые выпрямители 3 и 4 выполняются на тиристорах. Реверс полярности выходного напряжения преобразователя обеспечивается при этом управлением тиристорами в режиме зависимого инвертора с нерегулируемыми углами управления β_min.

Для получения четырехквадрантных выходных характеристик вентильного преобразователя трехфазные мостовые выпрямители 3 и 4 выполняются реверсивными, т.е. со вторым комплектом тиристоров, включенных встречно-параллельно первому комплекту. Управление вторым комплектом тиристоров осуществляется аналогично вышерассмотренному управлению первым комплектом при смене направления тока в нагрузке. При этом появляется новая возможность у предлагаемого преобразователя - возможность получения на выходе переменного тока заданной частоты, т.е. превращение устройства в преобразователь переменного тока в переменный ток регулируемой частоты. Это будет достигнуто при модуляции любым известным способом амплитуды выходных напряжений автономных инверторов по синусоидальному закону с заданной частотой. То есть предлагаемый преобразователь превращается при этом в непосредственный преобразователь частоты с амплитудным формированием синусоидальной кривой выходного напряжения, что улучшает его качество. При этом преобразователь потребляет из сети синусоидальный ток, синфазный с напряжением, то есть работает с входным коэффициентом мощности, равным практически единице во всех режимах.

Второе исполнение преобразователя (фиг. 2) работает следующим образом. Автономные инверторы тока АИ3 и АИ4 (11, 12) управляются по методу синусоидальной широтно-импульсной модуляции тока, формируя практически синусоидальное напряжение на конденсаторах фильтра инвертора ФИ3 и ФИ4 (9, 10). Поэтому для этой схемы также действительны векторные диаграммы для напряжений и токов на фиг 3, доказывающие, что и в этом случае на входе предлагаемого преобразователя будет практически синусоидальный ток в фазе с напряжением сети.

Таким образом, предлагаемый преобразователь переменного напряжения в постоянное по сравнению с прототипом имеет те преимущества, что позволяет, во-первых, регулировать в широком диапазоне выходное напряжение с высоким качеством за счет амплитудного способа регулирования, во-вторых, изменять полярность выходного напряжения, в-третьих, имеет во всех режимах работы входной коэффициент мощности равным, практически единице, в четвертых, использовать преобразователь для более широкого применения, превращая его в преобразователь переменного напряжения в переменное, в пятых, увеличить в два раза предельную мощность, получаемую от преобразователя при ограниченных предельных мощностях вентилей с полным управлением (транзисторов, запираемых тиристоров) без применения схем им последовательно-параллельного включения за счет наличия двух преобразовательных цепей в одном преобразователе.

Предложен вентильный преобразователь переменного тока в постоянный или переменный регулируемой частоты для целей прежде всего регулируемого электропривода. Преобразователь содержит две преобразовательные цепи, включенные по входу параллельно, а по выходу - последовательно или параллельно. Каждая преобразовательная цепь содержит последовательно включенные трехфазный мостовой выпрямитель со своим входным фильтром переменного тока, вторичные обмотки входного трехфазного трансформатора, первичные обмотки которого соединены соответственно в звезду и треугольник, фильтр переменного тока автономного инвертора, трехфазный мостовой автономный инвертор с накопительным фильтром в звене постоянного напряжения. Нагрузка преобразователя подключена к выходам трехфазных мостовых выпрямителей. Предложены различные построения вентильного преобразователя с выполнением трехфазного мостового автономного инвертора в виде инвертора напряжения или инвертора тока, а также вариант с выполнением трехфазных мостовых выпрямителей реверсивными. Преобразователь обеспечивает получение входного тока синусоидальной формы, синфазного с напряжением во всех режимах работы, регулирование выходного постоянного напряжения в полном диапазоне с возможностью его реверса, формирование заданной формы переменного напряжения на выходе, увеличение предельной выходной мощности. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Вентильный преобразователь, содержащий преобразовательную цепь из последовательно включенных входного трехфазного трансформатора, фильтра переменного тока, трехфазного мостового автономного инвертора с накопительным фильтром в его звене постоянного напряжения, отличающийся тем, что введена вторая аналогичная преобразовательная цепь, на вход каждой из упомянутых цепей последовательно с нею дополнительно включены трехфазные мостовые выпрямители с входными фильтрами переменного тока, при этом выходы упомянутых выпрямителей включены последовательно или параллельно и образуют выход вентильного преобразователя, а входные трехфазные трансформаторы каждой цепи выполнены с двумя системами трехфазных обмоток, при этом первичные обмотки одного из упомянутых трансформаторов соединены звездой, а второго - треугольником, и входы каждой трехфазной системы первичных обмоток упомянутых трансформаторов соединены соответственно по фазам вместе, образуя трехфазный вход вентильного преобразователя. 2. Вентильный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что трехфазный мостовой автономный инвертор выполнен в виде инвертора напряжения, при этом связанный с ним фильтр переменного тока представляет собой последовательно включенные в фазы дросселя, а накопительный фильтр в его звене постоянного напряжения выполнен в виде конденсатора. 3. Вентильный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что трехфазный мостовой автономный инвертор выполнен в виде инвертора тока, при этом фильтр переменного тока выполнен конденсаторным с соединением конденсаторов в треугольник или звезду, а накопительный фильтр в его звене постоянного напряжения выполнен в виде дросселя. 4. Вентильный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что трехфазные мостовые выпрямители выполнены реверсивными.