Стабилизатор напряжения трехфазного инвертора Российский патент 2023 года по МПК H02M5/12 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве выходного стабилизатора мощных инверторов, обеспечивающих потребителей переменного тока стабилизированным, синусоидальным и симметричным трехфазным напряжением.

Известен стабилизатор напряжения трехфазного инвертора, содержащий в каждой фазе: дроссель с обычным сердечником, на котором размещены: первичная обмотка, компенсирующая обмотка и вторичная обмотка; первый дроссель с сердечником, снабженным воздушным зазором и одной обмоткой и второй дроссель с сердечником, снабженным воздушным зазором и одной обмоткой, при этом первичная обмотка последовательно соединена с обмоткой первого дросселя с сердечником, снабженным воздушным зазором, а свободные выводы указанных обмоток подключены к диагоналям мостового однофазного инвертора; вторичные обмотки всех фаз соединены звездой, а свободные выводы их соединены с клеммами для подключения нагрузки, соответственно; обмотка второго дросселя с сердечником, снабженным воздушным зазором последовательно соединена с компенсирующей обмоткой, а к свободным выводам названных обмоток подключен конденсатор, причем первый дроссель с сердечником, снабженным воздушным зазором и обмоткой и дроссель с обычным сердечником и первичной обмоткой образуют феррорезонансный стабилизатор напряжения (ФСН) фазы индуктивного тока, а замкнутая цепь, содержащая обмотку второго дросселя с сердечником, снабженным воздушным зазором, компенсационную обмотку и конденсатор образуют фильтр третьей гармоники [1].

Данный стабилизатор нашел широкое применение в системах автономного электроснабжения, поскольку его выходное напряжение является стабилизированным благодаря ФСН в каждой фазе и синусоидальным, потому что в каждой фазе имеется фильтр гармоник, однако ему присущи и недостатки, среди которых: малый диапазон мощностей (0,3…3 КВА), сравнительно низкое качество выходного напряжения, поскольку фильтр гармоник рассчитан только на нейтрализацию третьей гармоники и всех кратных трем и наличие несимметрии напряжений из-за неидентичности параметров дросселей с обычным сердечником и дросселей, снабженных воздушными зазорами. Кроме того, фильтр гармоник и ФСН в каждой фазе являясь электромагнитными элементами выполнены на разных отдельных сердечниках, что приводит к снижению КПД из-за числа потерь в стали и увеличению массы и габаритов стабилизатора.

Техническим результатом изобретения является обеспечение потребителей трехфазным стабилизированным, синусоидальным и симметричным напряжением при повышенном КПД.

Технический результат достигается тем, что стабилизатор напряжения трехфазного инвертора, содержащий в каждой фазе дроссель, на сердечнике которого размещена первичная обмотка, компенсирующая обмотка и вторичная обмотка; первый дроссель с сердечником, снабженным воздушным зазором и стабилизирующей обмоткой и второй дроссель с сердечником, снабженным воздушным зазором и фильтрующей обмоткой, при этом первичная обмотка последовательно соединена со стабилизирующей обмоткой первого дросселя, а свободные выводы указанных обмоток подключены к диагоналям соответствующего мостового однофазного инвертора; вторичные обмотки всех фаз соединены звездой, а свободные выводы их соединены с клеммами для подключения нагрузки, соответственно; фильтрующая обмотка последовательно соединена с компенсирующей обмоткой, а к свободным выводам указанных обмоток подключен конденсатор в каждой фазе, причем первый дроссель со стабилизирующей обмоткой и дроссель с первичной обмоткой образуют феррорезонансный стабилизатор напряжения (ФСН) индуктивного тока, а замкнутая цепь, содержащая фильтрующую обмотку, компенсирующую обмотку и конденсатор, образуют фильтр третьей гармоники, стабилизатор выполнен по типу электрической машины переменного тока с заторможенным ротором и содержит внешний сердечник в виде полого цилиндра с пазами, расположенными на его внутренней поверхности в которых размещены первичная, компенсирующая и вторичная обмотки и соосный ему внутренний сердечник, выполненный в форме цилиндра с пазами, расположенными на его внешней поверхности, в которых размещены стабилизирующая и фильтрующая обмотки, при этом между указанными сердечниками выполнен воздушный зазор, выбираемый по технологическим соображениям; вторичные обмотки фаз выполнены распределенными по расточке внешнего сердечника с укороченным шагом по пазам и при скосе пазов между внешним и внутренним сердечниками на половину зубцового деления, при этом ЭДС фазы вторичной обмотки равно Е₂=4.44w₂ƒФk₀, где w₂ - число витков фазы; ƒ - частота напряжения; Ф - основной магнитный поток; k₀ - обмоточный коэффициент, равный k₀=k_p1k_y1k_ск1, где k_p1 - коэффициент распределения по первой гармонике; k_y1 - коэффициент укорочения шага по первой гармонике; k_ск1 - коэффициент скоса пазов по той же гармонике, причем вторичные обмотки фаз размещены относительно друг друга в пространстве на угол 120 геометрических градусов, токи фаз вторичной обмотки сдвинуты относительно друг друга во времени на угол 120°, а магнитодвижущие силы фаз равны, т.е. ∠w_A2=∠w_B2=∠w_C2=120° в пространстве; ∠I_A2=∠I_B2=∠I_C2=120° во времени; ∠F_A2=∠F_B2=∠F_C2, где F_A2, F_B2, F_C2 - МДС фаз внутренней обмотки, причем каждая из них равна произведению числа витков на ток.

На фиг. 1 показано сечение стабилизаторных листов внешнего и внутреннего сердечников. На фиг. 2 представлены области, занимаемые обмотками внешнего сердечника и внутреннего сердечника, соответственно. На фиг. 3 изображены идеальные кривые, раскрывающие взаимосвязи величин, участвующих в феррорезонансе напряжений. На фиг. 4 показаны те же кривые, но при учете реальных условий цепи.

Стабилизатор конструктивно выполнен по типу электрической машины переменного тока, и он также имеет два пакета, набранных из электротехнической стали, марка которой зависит от величины рабочего напряжения, частота зависит от мощности устройства. Внешний сердечник содержит (фиг. 1) сам сердечник 1, набранный из листов указанной стали, каждый из которых имеет диаметр D₁, вершину спинки (ярма) внешнего сердечника h_c1 и вершину зубца h_z1, при этом диаметр D₂ является диаметром расточки внешнего сердечника и по окружности диаметра расточки специальным штампом нарезаны пазы с параллельными стенками, число которых равно

где р - число пар полюсов; m₁ - число фаз; q₁ - число пазов на полюс и фазу. Между внешним и внутренним сердечниками находится воздушный зазор δ₁, величина которого составляет 0,05 мм.

Внутренний сердечник 2 так же является пакетом, набранным из листов той же стали и имеет внешний диаметр D₂ и внутренний - D₃, а между ними указана высота зубца h_z2 и высота спинки h_c2. Диаметр D₃ одновременно является и диаметром втулки, а воздушный зазор в силу его малости обозначен просто окружностью. Пазы внутреннего сердечника 2 выполнены также с параллельными стенками, их число определяется по формуле

где m₂ - число фаз внутренней обмотки; q₂ - число пазов на полюс и фазу, при этом z₂≠z₁, но оба числа кратны числу 3.

В пазах внешнего сердечника 1 размещены (фиг. 2) витки фаз первичной обмотки 1-1, 2-1, 3-1; витки фаз вторичной обмотки 1-6, 2-6, 3-6 и витки компенсирующей обмотки 1-3, 2-3 и 3-3, соответственно, причем первичная обмотка (не обозначена) выполнена с развязанными фазами, а вторичная обмотка (не обозначена) соединена в звезду, при этом ее свободные выводы подключены к клеммам для подключения нагрузки L₁, L₂, L₃ пофазно: фаза 1 - клемма L₁, фаза 2 - клемма L₂, фаза 3 - клемма L₃. В пазах внутреннего сердечника 2 размещены фазы стабилизирующей обмотки 1-2, 2-2, 3-2 и фазы обмотки фильтра 3-ей гармоники 1-4, 2-4 и 3-4, причем фазы стабилизирующей обмотки последовательно и согласно соединены с соответствующими фазами первичной обмотки, а фазы обмотки фильтра 3-ей гармоники последовательно и согласно соединены с соответствующими фазами компенсирующей обмотки, при этом свободные выводы указанных обмоток подключены к соответствующим конденсаторам 1-5, 2-5, 3-5, а фазы первичной обмотки 1-1, 2-1, 3-1 и стабилизирующей обмотки 1-2, 2-2, 3-2 размещенные на внешнем сердечнике (нелинейный дроссель) и внутреннем сердечнике (линейный дроссель) образуют ФСН. Рассмотрим соотношения напряжения на первичной обмотке, например, первой фазы U₁₁ на стабилизирующей обмотке той же фазы w₂ U_c1. При увеличении входного напряжения от мостового однофазного инвертора 6 напряжение на первичной обмотке будет расти по кривой (дроссель нелинейный), а напряжение на стабилизирующей обмотке (линейный дроссель) будет расти прямо пропорционально (фиг. 3), при этом в некоторой точке они сравняются. Если из большего напряжения вычитать меньшее, то получим

при этом точка пересечения кривой с осью абсцисс (I₀) соответствует феррорезонансу напряжений (U₁₁=U_c1).

Поскольку действующее значение напряжения U является величиной положительной, то кривая U(I) совпадает с кривой только при I<I₀, поэтому при I>I₀ она представляет собой зеркальное изображение кривой Графическая интерпретация феррорезонанса на фиг. 2.3 является чисто теоретической, а если учесть потери в стали сердечников и потери в сопротивлениях обмоток и присутствующих высших гармоник, кривая U(I) будет иметь иную форму (фиг. 4). Оценим стабилизирующие возможности предложенного стабилизатора, анализируя графики, изображенные на фиг. 3, где изображены: кривая напряжения нелинейного (дросселя) внешнего сердечника U₂; прямая, показывающая изменение напряжения на стабилизирующей обмотке U_Λ, а также линия, характеризующая разность указанных напряжений. Пусть входное напряжение изменилось от до значения тогда нижнее значение выходного найдется, если на уровне провести пунктир до линии U₁, из точки пересечения подняться до точки пересечения с U₂, из которой провести линию, параллельную оси абсцисс до пересечения с координатой U. Для нахождения верхнего значения выходного напряжения необходимо из точки провести пунктирную линию, параллельную точке I до пересечения с линией U₁, из точки пересечения опуститься до пересечения с линией кривой U₂ и данную точку пересечения соединить с координатой U, получив значение тогда диапазон изменения выходного напряжения будет равен

в то время как диапазон изменения входного напряжения равен разности

Полученные по фиг. 3 данные свидетельствуют, что схема стабилизирует напряжения, но коэффициент стабилизации невысок. Для увеличения коэффициента стабилизации необходимо перейти от стабилизатора индуктивного типа на стабилизатор емкостного типа, т.е. линия U_L должна быть линией U_C [2]. Поскольку стабилизатор имеет включения фаз в диагонали однофазных мостовых инверторов, напряжения которых являются прямоугольными, имеющими гармоники 1, 3, 5, 7, 9, 11 и т.д., а среди высших гармоник третья и кратные трем гармоники являются нежелательными, то в схеме применен фильтр третьей гармоники, содержащий компенсирующую w_k1 и обмотку фильтра гармоник w_г1 (для первой фазы). Расчеты показывают, что при прямоугольном напряжении коэффициент искажения синусоидальности K_υ=10% требует суммарной установленной мощности дросселей и емкости фильтра Q_ф.г=3,2Р_ном, где Q_ф.г - реактивная мощность элементов фильтра; Р_ном - номинальная мощность нагрузки. Данное обстоятельство приводит к увеличению массы и габаритов устройства, что не всегда допустимо. Для того, чтобы качество напряжения на входе инвертора со стабилизатором было высоким, вторичная обмотка стабилизатора выполнена распределенной и укороченной, при этом коэффициент распределения по первой гармонике [3]:

где q - число пазов на полюс и фазу; α=360°/z, где z - число пазов сердечника;

Коэффициент укорочения шага обмотки по пазам по первой гармонике

где β=π(τ-у)/τ, где τ - полюсное деление; у - шаг обмотки.

Коэффициент скоса пазов по первой гармонике

где - угол скоса, равный половине зубцового деления, поэтому обмоточный коэффициент из формулы (1) будет равен

при условии, что

K_p1<1; K_y1<1 и K_c1<1,

т.е. он показывает, что МДС обмотки переменного тока уменьшается вследствие ее распределения по нескольким пазам, укорочения шага и введения скоса пазов по сравнению с сосредоточенной обмоткой (дросселя или трансформатора).

Если считать, что скосом пазов можно пренебречь, a q=3 и α=20°, то

K_p1=0,960; K_p3=0,667; K_p5=0,217; K_p7=0,177;

K_y1=0,910; K_y3=0,500; K_y5=0,1748; K_y7=0,765, то

K_o1=0,902; K_o3=0,333; K_o5=0,038; K_o7=0,135

Используя данные расчета можно определить отношения:

в то время, как третья гармоника МДС

поэтому в предлагаемом стабилизаторе осуществляется одновременное уменьшение высших гармоник, при этом уменьшение амплитуды третьей МДС осуществляется фильтром гармоник и обмоточным коэффициентом вторичной обмотки.

Таким образом значение коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения определяется не только одним устройством, но и конструкцией вторичной обмотки.

Одним из свойств трехфазной системы считается симметрия напряжений, которая зависит от распределения обмоток фаз в пространстве, тогда ЭДС фаз рассчитываются по соотношениям

где Em_A, Em_B, Em_C - амплитуды ЭДС соответствующих фаз, а так же от фазовых сдвигов токов фаз из выражений

при этом F_A=F_B=F_C=F_Ф, т.е. МДС фаз равны, где F_Ф=w_ФI_Ф.

В стабилизаторах, основанных на отдельных сердечниках с обычными сердечниками и сердечниками, снабженными воздушными зазорами выполнение систем уравнений (12) и (13) затруднительно, поэтому в [1] указано, что коэффициент асимметрии не более 3%, в то время как в энергетических синхронных генераторах коэффициент несимметрии по обратной последовательности не превышает 0,1%.

Таким образом в предлагаемом стабилизаторе трехфазного инвертора, составленного из трех мостовых однофазных инверторов, с напряжениями в развязанных фазах, созданы условия: стабилизации напряжения за счет феррорезонанса напряжений; симметрии напряжений фаз за счет введения приемов известных из теории электрических машин переменного тока и синусоидальности выходного напряжения за счет способов, известных из теории многофазных обмоток при повышенном КПД.

Предложенная конструкция стабилизатора (фиг. 1) в которой все дроссели с обычными сердечниками выполнены в виде внешнего сердечника, а все дроссели с сердечниками с воздушным зазором, позволяет улучшить массогабаритные характеристики, что доказывается на основе теории подобия, примененной к трансформатору в [3]. Если считать, что мощность предлагаемой конструкции S_ном1, а мощность всех сердечников прототипа S_ном2, то можно использовать соотношение

где G₁, G₂ - массы, V₁, V₂ - объемы, С₁, С₂ - стоимости сравниваемых устройств. Из анализа формулы (14) следует, что применение одной конструкции (общей) вместо нескольких, в данном случае двух (состоящих из 3 сплошных сердечников и 6 сердечников с воздушным зазором), вдвое меньшей мощности, масса, объем, стоимость потери мощности уменьшаются на 16% (т.е. КПД выше на 16%).

Источники, принятые во внимание

[1]. Губанов В.В. Силовые преобразователи с выходными стабилизаторами. Л.: Энергия, 1972, стр. 120, рис. 5-13.

[2]. Богданов Д.И. Феррорезонансные стабилизаторы напряжения М.: Энергия, 1972, стр. 186.

[3]. Брускин Д.Э., Захорович А.Е., Хвостов B.C. Электрические машины и микромашины. М.: ВШ., 1971, стр. 400-403.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве выходного стабилизатора мощных инверторов, обеспечивающих потребителей переменного тока стабилизированным, синусоидальным и симметричным трехфазным напряжением. Стабилизатор содержит ферримагнитную систему, содержащую внешний сердечник в виде полого цилиндра с пазами, расположенными на его внутренней части, в которых размещены первичная обмотка, компенсирующая обмотка и вторичная обмотка в каждой фазе, и соосный ему внутренний сердечник, выполненный в форме цилиндра с пазами, в которых размещены стабилизирующая обмотка и фильтрующая обмотка, при этом первичная обмотка последовательно соединена со стабилизирующей обмоткой, а свободные выводы указанных обмоток подключены к диагоналям соответствующего мостового однофазного инвертора; вторичные обмотки соединены звездой, а их свободные выводы подключены к клеммам для подключения нагрузки; компенсирующая и фильтрующая обмотки соединены последовательно, а их свободные выводы подключены к конденсатору; между указанными сердечниками выполнен воздушный зазор, величина которого определяется по технологическим соображениям. Таким образом, вместо трех обычных сердечников выполнен один кольцевой, а вместо шести дросселей, сердечники которых снабжены воздушным зазором, выполнен также один сплошной конструкции, что позволило системе функционировать на основе кругового вращающегося магнитного поля, вместо пульсирующего поля; тем самым стабилизатор становится компактным, с повышенным КПД, с симметричным, синусоидальным и стабилизированным напряжением, чем и достигается требуемый результат. Учитывая, что масса и габариты стали зависят от мощности, то объединенные сердечники имеют меньшую массу и габариты примерно на 16…20% по сравнению с девятью сердечниками. 4 ил.

Стабилизатор напряжения трехфазного инвертора, содержащий в каждой фазе дроссель, на сердечнике которого размещена первичная обмотка, компенсирующая обмотка и вторичная обмотка; первый дроссель с сердечником, снабженным воздушным зазором и стабилизирующей обмоткой, и второй дроссель с сердечником, снабженным воздушным зазором и фильтрующей обмоткой, при этом первичная обмотка последовательно соединена со стабилизирующей обмоткой первого дросселя, а свободные выводы указанных обмоток подключены к диагоналям соответствующего мостового однофазного инвертора; вторичные обмотки всех фаз соединены звездой, а свободные выводы их соединены с клеммами для подключения нагрузки, соответственно; фильтрующая обмотка последовательно соединена с компенсирующей обмоткой, а к свободным выводам указанных обмоток подключен конденсатор в каждой фазе, причем первый дроссель со стабилизирующей обмоткой и дроссель с первичной обмоткой образуют феррорезонансный стабилизатор напряжения (ФСН) индуктивного тока, а замкнутая цепь, содержащая фильтрующую обмотку, компенсирующую обмотку и конденсатор, образуют фильтр третьей гармоники, отличающийся тем, что стабилизатор выполнен по типу электрической машины переменного тока с заторможенным ротором и содержит внешний сердечник в виде полого цилиндра с пазами, расположенными на его внутренней поверхности, в которых размещены первичная, компенсирующая и вторичная обмотки, и соосный ему внутренний сердечник, выполненный в форме цилиндра с пазами, расположенными на его внешней поверхности, в которых размещены стабилизирующая и фильтрующая обмотки, при этом между указанными сердечниками выполнен воздушный зазор, выбираемый по технологическим соображениям; вторичные обмотки фаз выполнены распределенными по расточке внешнего сердечника с укороченным шагом по пазам и при скосе пазов между внешним и внутренним сердечниками на половину зубцового деления, при этом ЭДС фазы вторичной обмотки равно

где w₂ - число витков фазы; ƒ - частота напряжения; Ф - основной магнитный поток; k₀ - обмоточный коэффициент, равный

где k_p1 - коэффициент распределения по первой гармонике; k_y1 - коэффициент укорочения шага по первой гармонике; k_ск1 - коэффициент скоса пазов по той же гармонике, причем вторичные обмотки фаз размещены относительно друг друга в пространстве на угол 120 геометрических градусов, токи фаз вторичной обмотки сдвинуты относительно друг друга во времени на угол 120°, а магнитодвижущие силы фаз равны, т.е.

где F_A2, F_B2, F_C2 - МДС фаз внутренней обмотки, причем каждая из них равна произведению числа витков на ток.