ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ТРЕХФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК H02M7/44 

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано при построении источников вторичного электропитания как централизованного, так и децентрализованного типов в тех случаях, когда требуются улучшенная электромагнитная совместимость и повышенная функциональная надежность.

Известен двухканальный трехфазный инвертор напряжения, описанный в авторском свидетельстве СССР №1826116, МПК⁷: Н 02 М 7/537, опубл. 07.07.1993, который содержит два идентичных одноканальных трехфазных инвертора, выход каждого из которых подключен к первичной трехфазной обмотке своего согласующего трансформатора, причем одна из них соединена по схеме "звезда", вторая - по схеме "треугольник", а две вторичные трехфазные обмотки трансформаторов соединены пофазно последовательно по схеме "звезда" и подключены к выходным выводам устройства. Блок управления указанными одноканальными трехфазными инверторами обеспечивает фазовый сдвиг выходных напряжений одного инвертора относительно напряжений другого инвертора (до трансформатора) на угол π/6. Коэффициенты трансформации трансформаторов отличаются между собой в √3 раз. В результате выполнения указанных условий-признаков на заключительном этапе последовательного суммирования выходных напряжений каналов основные их гармоники оказываются синфазными и одинаковыми по уровню.

Недостатком данного решения являются ограниченные функциональные возможности, которые заключаются в том, что при аварийной ситуации в одном из двух инверторов (каналов), при его отключении, уровень выходного напряжения снижается вдвое. Это не позволяет рационально использовать его в качестве источников вторичного электропитания потребителей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является двухканальный трехфазный инвертор напряжения, описанный в авторском свидетельстве СССР №1610573, МПК⁷ Н 02 М 7/539, опубл. 30.11.1990 г., который содержит два идентичных одноканальных трехфазных инвертора, выход каждого из которых подключен к первичной трехфазной обмотке своего согласующего трансформатора, причем одна из них соединена по схеме "звезда", вторая - по схеме "треугольник", а по числу витков вторая обмотка больше первой в √3 раз. Две вторичные трехфазные обмотки двух трансформаторов соединены по схеме "звезда" и пофазно согласно параллельно через разноименно включенные обмотки фильтр-трансформатора (фильтрующего трансформатора) подключены к соответствующим выходным выводам устройства. Блок управления указанными инверторами (каналами) обеспечивает фазовый сдвиг их выходных напряжений на угол π/6.

Однако такое решение имеет завышенные потери и пониженный КПД в связи с разными внутренними сопротивлениями преобразующего тракта в положительные и отрицательные полупериоды выходного напряжения. Наличие двух трансформаторов усложняет конструкцию устройства и приводит к ухудшению массогабаритных показателей устройства в целом. Кроме того, относительно высокий уровень квантования напряжений на первичной стороне трансформаторов каналов приводит к повышенному помехоизлучению, характеризующему невысокий показатель электромагнитной совместимости.

Технической задачей изобретения является повышение КПД устройства, упрощение конструкции, улучшение массогабаритных показателей и электромагнитной совместимости.

Это достигается тем, что в известном двухканальном трехфазном инверторе напряжения, содержащем два идентичных одноканальных трехфазных инвертора напряжения, согласующий трансформаторный узел, одна из двух первичных трехфазных обмоток и вторичная обмотка которого соединены по схеме "звезда", трехфазный фильтр-трансформатор с двумя одинаковыми обмотками в каждой фазе и блоки управления трехфазными одноканальными инверторами напряжения, одноименные фазные выводы каждого из двух одноканальных трехфазных инверторов напряжения подключены к разноименным выводам одноименных по фазе обмоток фильтр-трансформатора, другие разноименные выводы которых подключены к одноименным по полярности и по фазе одним выводам двух первичных трехфазных обмоток согласующего трансформаторного узла, другие выводы второй первичной трехфазной обмотки подключены к соответствующим выходным выводам одного из одноканальных инверторов напряжения так, что каждая фазная пара последовательно включенных обмотки фильтр-трансформатора и второй фазной первичной трехфазной обмотки различных фаз согласующего трансформаторного узла соединены между собой по схеме “треугольник”, трансформаторный узел выполнен на общем трехстержневом магнитопроводе, при этом на каждом его стержне расположены две одноименные по фазе первичные обмотки и одна его вторичная обмотка, причем вторичная трехфазная обмотка является выходом двухканального трехфазного инвертора напряжения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана силовая часть двуканального трехфазного инвертора напряжения, на фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие процесс формирования выходного напряжения.

Двухканальный трехфазный инвертор напряжения содержит два идентичных одноканальных трехфазных инвертора напряжения 1, 2. Выходы 3, 4, 5 одноканального инвертора напряжения 1 и выходы 6, 7, 8 одноканального инвертора напряжения 2 соединены с одними разноименно включенными выводами фазных обмоток 9, 10; 11, 12; 13, 14 трехфазного фильтр-трансформатора 15, которые другими своими выводами подключены к одноименным по фазе и полярности выводам первичных обмоток 16, 17, размещенных на одном стержне 18, к выводам обмоток 19, 20, размещенных на втором стержне 21 и к выводам обмоток 22, 23, размещенных на третьем стержне 24 трехстержневого магнитопровода трехфазного согласующего трансформаторного узла 25. Обмотки 16, 19 и 22 соединены по схеме "звезда" (с нулевой точкой "0") и подключены к соответствующим обмоткам 9, 11, 13 фильтр-трансформатора 15. Обмотки 17, 20, 23 соединены по схеме "треугольник", подключены к соответствующим обмоткам 10, 12, 14 фильтр-трансформатора 15 и по числу витков выполнены в √3 раз большими по сравнению с обмотками 16, 19 и 22. Вторичная обмотка 26 трансформаторного узла 25 является выходом двухканального инвертора.

Выходы блоков управления 27 и 28 подключены к управляющим входам инверторов напряжения 1 и 2 соответственно и могут быть выполнены, например, как описано в авторском свидетельстве СССР №1826116, МПК⁷: Н 02 М 7/537, опубл. 07.07.1993. Блок управления 27 подключен к блоку фазового сдвига 29, который соединен с блоком управления 28.

Двухканальный трехфазный инвертор напряжения работает следующим образом.

К одноименным по фазе обмоткам 16, 19, 22 и 17, 20, 23 согласующего трехфазного трансформаторного узла 25 прикладываются одинаковые по форме и значению напряжения, и по этим обмоткам протекают одинаковые по значению токи. При этом на обмотках 9-14 фильтр-трансформатора 15 оседает разность между напряжениями одноканальных инверторов напряжения 1, 2 и результирующими напряжениями, приложенными к первичным обмоткам 16, 19, 22 и 17, 20, 23 согласующего трансформаторного узла 25, так что, например, для обмоток 16, 17 одной фазы имеют место следующие равенства:

При этом, как следует из (1), имеет место равенство

Для основных гармоник напряжений каналов, синфазных и одинаковых по уровню, фильтр-трансформатор 15 не оказывает противодействия, так как результирующий магнитный поток от них равен нулю. Гармоники напряжений на фазных обмотках 9, 10; 11, 12; 13, 14 в каждом из каналов имеют одинаковое содержание, но противоположны по знаку. В результате, например, к двум последовательно включенным обмоткам 9 и 10 фильтр-трансформатора 15 одной фазы (А1) прикладывается напряжение, равное удвоенному содержанию этих гармоник в каждом канале

Фильтр-трансформатор 15, таким образом, препятствует прохождению к обмоткам 16, 17; 19, 20 и 22, 23 согласующего трансформаторного узла 25 определенного массива высших гармоник. Номера этих гармоник определяются с учетом того, что в спектре напряжения U_3-0 содержатся гармоники с номерами 6К±1, а в спектре напряжения U₁₆ - гармоники с номерами 12К±1, где К - любое целое число.

Фильтр-трансформатор 15 также устраняет несимметрию сопротивлений одноименных плеч первого и второго каналов одноканальных инверторов 1 и 2. Возможная разница в мгновенных значениях выходных напряжений инверторов напряжения 1 и 2 в этом случае оседает на обмотках 9, 10; 11, 12; 13, 14 фильтр-трансформатора 15. Действие его таково, что в канале с большим значением напряжения противо-ЭДС соответствующей обмотки фильтр-трансформатора 15 этого канала направлена встречно ему, а в канале с меньшим значением напряжения - согласно с ним, то есть фильтр-трансформатор 15 работает как выравнивающее устройство.

Возможны различные сочетания параметров сопротивлений в преобразующем тракте. Допустим, что сопротивления первого и второго плеч в каждом инверторе напряжения 1 или 2 примерно равны. Приближению к выполнению этого условия способствуют сопротивления обмоток фильтр-трансформатора 15. Их значения сопоставимы с сопротивлениями плеч, в результате чего относительное значение возможной разницы в результирующих сопротивлениях каналов преобразующего тракта уменьшается, что способствуют, в конечном счете, выравниванию напряжений, прикладываемых к обмоткам согласующего трансформаторного узла 25 в разные полупериоды.

Работа двухканального инвертора поясняется временными диаграммами, где показаны:

- мгновенное значение фазного напряжения первого одноканального инвертора напряжения 1 (между выходным выводом 3 и нулевой точкой "0" обмоток 16, 19 и 22). Фазное напряжение приложено к последовательно включенным обмотке 9 фильтр-трансформатора 15 и фазной обмотке 16 согласующего трансформаторного узла 25;

- линейное напряжение второго инвертора напряжения 2 (приведенное по основной гармонике к напряжению первого канала), которое также приложено к последовательно включенным обмотке 10 фильтр-трансформатора 15 и обмотке 17 той же фазы согласующего трансформаторного узла 25, причем для последнего это напряжение является фазным;

- мгновенное значение напряжения U_A1 на каждой из двух фазных обмоток 16, 17 трансформаторного узла 25 (одинаковое для обеих обмоток);

- мгновенные значения напряжений U_FT9, U_FT11, U_FT137, на нечетных обмотках 9, 11, 13 фильтр-трансформатора 15. Напряжения U_FT10, U_FT12, U_FT14 на его четных обмотках 10, 12, 14 имеют такую же форму, но с противоположным знаком.

При использовании одного и того же магнитного материала для фильтр-трансформатора 15 и согласующего трансформаторного узла 25 выбирается большее значение индукции с тем, чтобы в случае проявлений несимметрии сопротивлений в преобразующих трактах фильтр-трансформатор 15 поднасыщался бы быстрее согласующего трансформаторного узла 25. Этот процесс приводит к увеличению тока в этой цепи и росту падения напряжения, а в итоге - к выравниванию вольт-секундных площадей полуволн напряжения, подводимого к трансформаторному узлу 25 и ограничению его насыщения.

Предотвращение замагничивания магнитопровода согласующего трансформаторного узла 25 позволяет значительно улучшить условия работы одноканальных инверторов напряжения 1, 2. Результатом является снижение потерь в первичной цепи преобразующего тракта и повышение результирующего КПД, а также соответствующее снижение массы охладителей и снижение коэффициента запаса по установленной мощности оборудования.

Использование изобретения позволяет улучшить электромагнитную совместимость. Это достигается тем, что уровень квантования результирующего напряжения в обмотках (или, что эквивалентно, скорость изменения магнитного потока) уменьшается вдвое. Именно эти величины и определяют уровень помехоизлучений. При выходе из строя одного канала второй канал продолжает работать с большими вдвое искажениями, хотя и с меньшей отдаваемой мощностью. Однако устройство при этом не теряет свою основную функциональную характеристику, что свидетельствует о повышенной его надежности.

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и позволяет получить технический результат - повысить КПД устройства, упростить конструкцию, улучшить массогабаритные показатели и электромагнитную совместимость. Инвертор напряжения содержит два идентичных одноканальных трехфазных инвертора напряжения 1, 2. Выходы 3, 4, 5 инвертора 1 и выходы 6, 7, 8 инвертора 2 соединены с одними разноименно включенными выводами фазных обмоток 9, 10; 11, 12; 13, 14 трехфазного фильтр-трансформатора 15, которые другими своими выводами подключены к одноименным по фазе и полярности выводам первичных обмоток 16, 17, размещенных на одном стержне 18, к выводам обмоток 19, 20, размещенных на втором стержне 21 и к выводам обмоток 22, 23, размещенных на третьем стержне 24 трехстержневого магнитопровода трехфазного согласующего трансформаторного узла 25. Обмотки 16, 19 и 22 соединены по схеме “звезда” (с нулевой точкой “0”) и подключены к соответствующим обмоткам 9, 11, 13 фильтр-трансформатора 15. Обмотки 17, 20, 23 соединены по схеме “треугольник”, подключены к соответствующим обмоткам 10, 12, 14 фильтр-трансформатора 15. Выходы блоков управления 27 и 28 подключены к управляющим входам инверторов напряжения 1 и 2 соответственно. Блок управления 27 подключен к блоку фазового сдвига 29, который соединен с блоком управления 28. К одноименным по фазе обмоткам 16, 19, 22 и 17, 20, 23 согласующего трехфазного трансформаторного узла 25 прикладываются одинаковые по форме и значению напряжения, и по этим обмоткам протекают одинаковые по значению токи. При этом на обмотках 9-14 фильтр-трансформатора 15 оседает разность между напряжениями одноканальных инверторов напряжения 1, 2 и результирующими напряжениями, приложенными к первичным обмоткам 16, 19, 22 и 17, 20, 23 согласующего узла 25. 2 ил.

Двухканальный трехфазный инвертор напряжения, содержащий два идентичных одноканальных трехфазных инвертора напряжения, согласующий трансформаторный узел, одна из двух первичных трехфазных обмоток и вторичная обмотка которого соединены по схеме “звезда”, трехфазный фильтр-трансформатор с двумя одинаковыми обмотками в каждой фазе и блоки управления трехфазными одноканальными инверторами напряжения, отличающийся тем, что одноименные фазные выводы каждого из двух одноканальных трехфазных инверторов напряжения подключены к разноименным выводам одноименных по фазе обмоток фильтр-трансформатора, другие разноименные выводы которых подключены к одноименным по полярности и по фазе одним выводам двух первичных трехфазных обмоток согласующего трансформаторного узла, другие выводы второй первичной трехфазной обмотки подключены к соответствующим выходным выводам одного из одноканальных инверторов напряжения так, что каждая фазная пара последовательно включенных обмотки фильтр-трансформатора и второй фазной первичной трехфазной обмотки различных фаз согласующего трансформаторного узла соединены между собой по схеме “треугольник”, трансформаторный узел выполнен на общем трехстержневом магнитопроводе, при этом на каждом его стержне расположены две одноименные по фазе первичные обмотки и одна его вторичная обмотка, причем вторичная трехфазная обмотка является выходом двухканального трехфазного инвертора напряжения.