Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное Российский патент 2024 года по МПК H02M7/53 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автономных системах электроснабжения для преобразования напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока.

Известно устройство (патент РФ №2420854, Н02М 7/539, Бюл. №16, 2011), состоит из мостовой однофазной схемы инвертора, выходного Г-образного LC-фильтра и системы управления.

Недостатком преобразователя напряжения постоянного тока является то, что на его выходе формируется однофазное напряжение переменного тока.

Известен преобразователь напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока на реверсивном выпрямителе (патент РФ №2488932, кл. Н02М 7/53, 2013 г.), который содержит однофазный инвертор, трансформатор, выпрямитель, три вторичные обмотки со средними точками и расположенные под углом 120°, систему управления однофазного инвертора содержащего генератор пилообразного напряжения, выпрямительный блок, формирователь импульсов, генератор типа кривой логические элементы И, и усилители импульсов.

Наиболее близким по техническому решению является устройство (патент РФ №2210167, кл. Н02М 7/53, Бюл. №22, 2003), состоящее из однофазной мостовой схемы инвертора, на входе которой подключен конденсатор, трансформатора с вращающимся магнитным полем и блока управления.

Недостатком устройства является низкое качество выходного напряжения и надежность работы.

Техническим результатом поставленной задачи является повышение качества выходного напряжения и надежности работы преобразователя.

Технический результат достигается тем, что преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное, содержащий входной конденсатор подключенного к выводам «плюс» и «минус» источника питания, силовую схему инвертора, выполненную на транзисторах, трансформатор с вращающимся магнитным полем с первичными обмотками, подключенные между собой через фазосдвигающий конденсатор и с тремя вторичными обмотками, которые сдвинуты одна относительно другой на угол 120°, их начала соединены по схеме «звезда», а концы являются выводами для подключения трехфазной нагрузки, управляющие входы транзисторов инвертора подключенные к выводам блока управления, согласно изобретению имеет Г-образный LC-фильтр вход которого соединен с выходом инвертора, а выход подключен к первой первичной обмотке трансформатора с вращающимся магнитным полем и ко второй его первичной обмотке через фазосдвигающий конденсатор, в состав силовой схемы инвертора введены два ключа, первый для замыкания цепи питания источника вывод «минус» с первичными обмотками трансформатора, а второй ключ использован для замыкания этого же вывода источника питания с противоположными выводами первичных обмоток трансформатора, через LC-фильтр, при этом блок управления содержит задающий генератор сигнала синусоидальной формы, измеритель отклонения напряжения, сумматор, выпрямитель, формирователь импульсов, генератор пилообразного напряжения, датчик полярности напряжения, первый и второй логические элементы И, первый и второй усилители импульсов, причем входы задающего генератора сигнала синусоидальной формы и измерителя отклонения напряжения подключены к выводам для подключения трехфазной нагрузки и являются входом блока управления, а выходы усилителей импульсов являются выходами блока управления и подключены к ключам, соответственно, выход измерителя отклонения напряжения соединен с первым входом сумматора, выход задающего генератора сигнала синусоидальной формы, соединен со вторым входом сумматора и входом датчика полярности напряжения, выход сумматора соединен с входом выпрямителя, а его выход соединен с первым входом формирователя импульсов, второй вход формирователя импульсов соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, выход формирователя импульсов соединен с первыми входами первого и второго логических элементов И, вторые входы их соединены с первым и вторым соответственно выходами датчика полярности напряжения, выходы первого и второго логических элементов И, через первый и второй соответственно усилителей импульсов соединены с управляющими входами транзисторов инвертора.

Новизна заявленного решения обусловлена тем, что на выходе однофазной схемы инвертора применяется Г-образный LC-фильтр и блок управления преобразователем, который реализует ШИМ и стабилизацию выходного напряжения инвертором. При этом в блоке управления в качестве опорного сигнала применяется сигнал пилообразной формы, а в качестве ведущего сигнала - напряжение постоянного тока пропорциональное выходному напряжению преобразователя.

По данным научно-технической и патентной литературы, авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение технического решения, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения изобретательскому уровню.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема преобразователя постоянного напряжения в трехфазное переменное, на фиг. 2 показаны диаграммы напряжения, поясняющие принцип работы преобразователя; на а) - изображена диаграмма напряжения на выходе генератора пилообразного напряжения u_ГТН и неуправляемого выпрямителя блока управления u_В1; на б) - изображена диаграмма импульсов широтно-импульсной модуляции выходного напряжения инвертора и синусоидальное напряжение на выходе LC фильтра инвертора u_И1 при отклонении выходного напряжения Δu₁=0; на в) - изображена диаграмма напряжений на выходе датчик полярности напряжения ДПН; на г) - изображены диаграммы напряжений на выходе генератора пилообразного напряжения u_ГТН и неуправляемого выпрямителя блока управления когда u_В2 = u_B1 + Δu₂; на д) - изображена диаграмма импульсов широтно-импульсной модуляции выходного напряжения инвертора и синусоидальное напряжение на выходе LC фильтра инвертора u_И2 при отклонении выходного напряжения Δu₂ ≠ 0.

Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное имеет элементы под следующими позициями:

1 - силовая схема инвертора

2 - Г-образный LC-фильтр

3 - трансформатор с вращающимся магнитным полем

4 - блок управления

5 - входной конденсатор

6 и 7 - транзисторы

8 - фазосдвигающий конденсатор

9 - первый усилитель импульсов

10 - первый логический элемент И

11 - генератор пилообразного напряжения

12 - датчик полярности напряжения

13 - формирователь импульсов

14 - второй усилитель импульсов

15 - второй логический элемент И

16 - выпрямитель

17 - сумматор

18 - задающий генератор сигнала синусоидальной формы

19 - измеритель отклонения напряжения

20 - первая первичная обмотка

21 - вторая первичная обмотка

22 - первая вторичная обмотка

23 - вторая вторичная обмотка

24 - третья вторичная обмотка

25 - катушка индуктивности

26 - конденсатор

27 - первый ключ К1

28 - второй ключ К2.

Преобразователь содержит силовую схему инвертора 1, содержащую входной конденсатор 5, соединенный с выводами «плюс» и «минус» источника питания U_И, транзисторы 6 и 7, ключи 27 и 28 соответственно К1 и К2, выходной Г-образный LC-фильтр 2, содержащий катушку индуктивности 25 и конденсатор 26, трансформатор с вращающимся магнитным полем 3, содержащий первую и вторую первичные обмотки 20 и 21 соответственно, фазосдвигающий конденсатор 8, вторичные обмотки 22-24. На чертеже показаны выводы для подключения источника напряжения постоянного тока U_И и выводы А, В и С для подключения нагрузки, блок управления 4, содержащий измеритель отклонения напряжения 19, задающий генератор сигнала синусоидальной формы 18, сумматор 17, выпрямитель 16, формирователь импульсов 13, генератор треугольного напряжения 11, логические элементы И 10 и 15, датчик полярности напряжения 12 и усилители импульсов 9 и 14.

Входной конденсатор 5 соединен с источником постоянного напряжения с выводами «плюс» и «минус» и параллельно включенными транзисторами 6 и 7. Выход силовой схемы инвертора 1 соединен с входом Г-образного LC-фильтра 2, выход которого соединяется с первой первичной обмоткой 20 и второй первичной обмоткой 21 трансформатора с вращающимся магнитным полем 3 через фазосдвигающий конденсатор 8. Обмотки трансформатора 20 и 21 смещены в пространстве на угол 90°. Вторичные обмотки 22, 23, 24 трансформатора с вращающимся магнитным полем 3 сдвинуты одна относительно другой на угол 120° и с одной стороны соединены в нулевой точке, а с другой стороны подключаются к нагрузке выводами А, В, С. Вход блока управления 4, соединен с выводами А, В, С, а его выход с управляющими входами транзисторов 6 и 7.

Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное работает следующим образом. Напряжение источника питания постоянного тока U_И прикладывается к входу силовой схеме инвертора 1, выполненного на транзисторах 6 и 7. Блок управления 4 формирует управляющие сигналы, которые поочередно открывают транзисторы 6 или 7. В результате в первичных обмотках 20 и 21 трансформатора с вращающимся магнитным полем 3 изменяется направление тока, что приводит к появлению переменного магнитного потока в тороидальном магнитопроводе трансформатора. Выходной Г-образный LC-фильтр 2 улучшает качество выходного напряжения инвертора, за счет подавления высших гармоник несинусоидального напряжения. Поскольку первая и вторая первичные обмотки трансформатора смещены в пространстве одна относительно другой на угол 90° и подключены между собой через фазосдвигающий конденсатор 8, то они образуют вращающееся магнитное поле, вызывающее ЭДС во вторичных обмотках. Вторичные обмотки трансформатора сдвинуты одна относительно другой на угол 120°, поэтому на выводах А, В и С преобразователя формируется симметричная трехфазная система напряжений переменного тока.

Блок управления работает следующим образом. Задающий генератор 18, вырабатывает опорный сигнал синусоидальной формы u_ЗГ, который синхронизирован с частотой выходного напряжения преобразователя. При этом, частота напряжения u_ЗГ может быть как равной, так и больше или меньше промышленной частоты, в зависимости от того какую функцию выполняет инвертор (стабилизировать напряжение или регулировать частоту для изменения частоты вращения электропривода). Выходное напряжение от задающего генератора прикладывается к одному из входов сумматора 17, на второй вход которого от измерителя отклонения напряжения 19 поступает сигнал Δu, если произошло отклонение выходного напряжения от номинального значения. Сигнал рассогласования Δu имеет синусоидальную форму. Результирующий сигнал с выхода сумматора u_∑ поступает на вход выпрямителя 16, где преобразуется в напряжение постоянного тока. Далее с выхода выпрямителя сигнал u_B1 (фиг. 2, а) поступает на первый вход формирователя импульсов 13, на второй вход формирователя импульсов поступает сигнал от генератора пилообразного напряжения 11 u_ГТН (фиг. 2, а). Когда напряжение на выходе генератора пилообразного напряжения будет меньше напряжения на выходе выпрямителя, т.е. будет выполняться условие u_ГТН < u_B1 на выходе формирователя импульсов формируются импульсы управления транзисторами 6 и 7 схемы преобразования (фиг. 2, а, б), которые поступают на первые входы логических элементов 10 и 15. На вторые входы логических элементов И поступает сигнал от датчика полярности напряжения 12 u_ДПН (фиг. 2, в), работа которого синхронизирована с задающим генератором 18. При положительной полярности выходного напряжения сигнал u_ДПН1 с первого выхода датчика полярности напряжения 12 поступает на второй вход логического элемента И 10, а при отрицательной полярности выходного напряжения сигнал u_ДПН2 с второго выхода датчика полярности напряжения 12 поступает на второй вход логического элемента И 15. При этом, при положительной полярности напряжения замыкается ключ 27 К1, а при отрицательной полярности напряжения замыкается ключ 28 К2 (фиг. 1). С выхода логических элементов И 10 и 15 импульсы управления через усилители импульсов 9 и 14 соответственно поступают на управляющие входы транзисторов 6 и 7. Транзисторы периодически открываются и закрываются посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в результате на выходе силовой схемы инвертора 1 формируется положительная полуволна напряжения синусоидального тока u_И1 при работе транзистора 6 и отрицательная полуволна напряжения при работе транзистора 7 (фиг. 2, б). К примеру, если напряжения на выводах А, В и С преобразователя уменьшится. Тогда увеличится значение сигнала рассогласования Δu до величины Δu₂ (фиг. 2, д), а это приведет к увеличению напряжения на выходе выпрямителя 16 до величины u_B2 = u_B1 + Δu₂ (фиг. 2, г). В результате увеличивается длительность импульсов управления на выходе формирователей импульсов 13 и уменьшается длительность паузы между импульсами ШИМ, что приводит к увеличению напряжения на выходе инвертора u_И2 (фиг. 2, г, д) и соответственно напряжения на выходе преобразователя на выводах А, В и С (фиг. 1).

Использование в составе преобразователя выходного Г-образного LC-фильтра и блока управления, реализующего ШИМ выходного напряжения с разной длительностью управляющих импульсов, выгодно отличает предлагаемый преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное от известного, так как повышается качество выходного напряжения и увеличивается надежность работы устройства.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для преобразования напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение качества выходного напряжения и надежности работы преобразователя. Технический результат достигается за счет того, что на выходе однофазной мостовой схемы инвертора установлен Г-образный LC-фильтр и блок управления преобразователем, который реализует ШИМ и стабилизацию выходного напряжения инвертором. При этом в блоке стабилизации в качестве опорного сигнала применяется сигнал пилообразной формы, а в качестве ведущего сигнала - напряжение постоянного тока, пропорциональное выходному напряжению преобразователя. Преобразователь содержит силовую схему инвертора (1), содержащую входной конденсатор (5), соединенный с источником напряжения постоянного тока U_И, транзисторы (6 и 7), ключи (К1 и К2), выходной Г-образный LC-фильтр (2), содержащий катушку индуктивности (25) и конденсатор (26), трансформатор с вращающимся магнитным полем (3), содержащий первую и вторую первичные обмотки (20 и 21) соответственно, фазосдвигающий конденсатор (8), вторичные обмотки (22-24). Блок управления (4) содержит измеритель отклонения напряжения 19, задающий генератор сигнала синусоидальной формы (18), сумматор (17), выпрямитель (16), формирователь импульсов (13), генератор треугольного напряжения (11), логические элементы И (10 и 15), датчик полярности напряжения (12) и усилители импульсов (9 и 14). 2 ил.

Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное, содержащий входной конденсатор подключенного к выводам «плюс» и «минус» источника питания, силовую схему инвертора, выполненную на транзисторах, трансформатор с вращающимся магнитным полем с первичными обмотками, подключенные между собой через фазосдвигающий конденсатор и с тремя вторичными обмотками, которые сдвинуты одна относительно другой на угол 120°, их начала соединены по схеме «звезда», а концы являются выводами для подключения трехфазной нагрузки, цепи управления транзисторами инвертора подключены к выводам блока управления, отличающийся тем, что имеет Г-образный LC-фильтр, вход которого соединен с выходом инвертора, а выход подключен к первой первичной обмотке трансформатора с вращающимся магнитным полем и ко второй его первичной обмотке через фазосдвигающий конденсатор, в состав силовой схемы инвертора введены два ключа, первый для замыкания цепи питания источника вывод «минус» с первичными обмотками трансформатора, а второй ключ использован для замыкания этого же вывода источника питания с противоположными выводами первичных обмоток трансформатора, через LC-фильтр, при этом блок управления содержит задающий генератор сигнала синусоидальной формы, измеритель отклонения напряжения, сумматор, выпрямитель, формирователь импульсов, генератор пилообразного напряжения, датчик полярности напряжения, первый и второй логические элементы И, первый и второй усилители импульсов, причем входы задающего генератора сигнала синусоидальной формы и измерителя отклонения напряжения подключены к выводам для подключения трехфазной нагрузки и являются входом блока управления, а выходы усилителей импульсов являются выходами блока управления и подключены к ключам, соответственно, выход измерителя отклонения напряжения соединен с первым входом сумматора, выход задающего генератора сигнала синусоидальной формы соединен со вторым входом сумматора и входом датчика полярности напряжения, выход сумматора соединен с входом выпрямителя, а его выход соединен с первым входом формирователя импульсов, второй вход формирователя импульсов соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, выход формирователя импульсов соединен с первыми входами первого и второго логических элементов И, вторые входы их соединены с первым и вторым соответственно выходами датчика полярности напряжения, выходы первого и второго логических элементов И через первый и второй соответственно усилителей импульсов соединены с управляющими входами транзисторов инвертора.