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 №2421871, С1 Н02М 7/539, Бюл. №7, 2006), состоит из мостовой однофазной схемы инвертора, входного конденсатора, выходного Г-образного LC-фильтра и системы управления. Недостаткам устройства является то, что на выходе инвертора формируется однофазное напряжение переменного тока.

Наиболее близким по техническому решению является устройство (патент РФ №2210167 C1, Н02М 7/53, Бюл. №32, 2002), состоящее из мостовой однофазной схемы инвертора, однофазно-трехфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем и блока управления. Недостатком устройства является низкое качество выходного напряжения из-за появления высших гармоник, возникающих при коммутации транзисторов.

Задача изобретения является повышение качества выходного напряжения за счет реализации широтно-импульсной модуляции выходного напряжения посредством блока управления инвертором, а также установке Г-образного LC-фильтра на его выходе.

Поставленная цель достигается тем, что выводы однофазного мостового инвертора подсоединяется к входу Г-образного LC-фильтра, выход которого подключен к первой первичной обмотке трансформатора с вращающимся магнитным полем и второй первичной обмотке, которая смещена в пространстве относительно первой на угол 90° и конец которой соединен с концом первой первичной обмотки, а ее начало через фазосдвигающий конденсатор соединено с началом первой первичной обмотки, три вторичные обмотки трансформатора сдвинуты одна относительно другой на угол 120°, их начала соединены по схеме «звезда», а концы являются выводами для подключения трехфазной нагрузки, блок управления содержит трансформаторно-выпрямительный блок, формирователь импульсов, генератор пилообразного напряжения, датчик полярности напряжения, первый и второй логические элементы И, первый и второй усилители импульсов, причем вход трансформаторно-выпрямительного блока является входом блока управления, а выходы усилителей импульсов являются выходами блока управления, первый выход трансформаторно-выпрямительного блока соединен с входом формирователя импульсов, а его второй выход с входом датчика полярности напряжения, второй вход формирователя импульсов соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, выход формирователя импульсов соединен с первыми входами логических элементов И1 и И2, вторые входы которых соединены с первым и вторым соответственно выходами датчика полярности напряжения, выходы логических элементов И1 и И2 соединены с входами первого и второго соответственно усилителями импульсов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства преобразования постоянного напряжения в трехфазное переменное, а на фиг. 2 показаны диаграммы напряжения, поясняющие принцип работы преобразователя.

Преобразователь содержит силовую схему мостового инвертора 1, содержащую входной конденсатор 5, соединенный с источником постоянного тока U_И, биполярные транзисторы 6-9 и шунтирующие диоды 10-13, выходной Г-образный LC-фильтр 2, трансформатор с вращающимся магнитным полем 3, содержащий первую и вторую первичные обмотки 23 и 24 соответственно, фазосдвигающий конденсатор 14, вторичные обмотки 25-27. 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 усилители импульсов 15 и 20, логические элементы И 16 и 21, датчик полярности напряжения 18, генератор пилообразного напряжения 17, формирователь импульсов 19 и трансформаторно-выпрямительный блок 22.

Входной конденсатор 5 соединен с источником постоянного напряжения «плюс»-«минус» и последовательно включенными транзисторами 6-7 и 8-9, базы которых соединены с блоком управления 4. Параллельно транзисторам 6-9 в обратном направлении включены шунтирующие диоды 10-13. Выход мостового инвертора 1 соединен с входом Г-образным LC-фильтром 2, выход которого соединяется с первой первичной обмоткой 23 и второй первичной обмоткой 24 трансформатора с вращающимся магнитным полем 3 через фазосдвигающий конденсатор 14. Обмотки 23 и 24 смещены в пространстве на угол 90°. Вторичные обмотки 25, 26, 27 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, где формируется симметричная трехфазная система напряжений переменного тока. Вход блока управления 4, соединен с выводами А, В, С, а его выход с управляющими электродами транзисторов 6-9.

Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное работает следующим образом. Напряжение источника питания постоянного тока U_И прикладывается к входу однофазного мостового инвертора 1, выполненного на транзисторах 6-9. Блок управления 4 формирует управляющие сигналы, которые попарно открывают транзисторы 6, 9 или 7, 8. В результате в первичных обмотках 23 и 24 трансформатора с вращающимся магнитным полем 3 изменяется направление тока, что приводит к появлению переменного магнитного потока в тороидальном магнитопроводе трансформатора с вращающимся магнитным полем. Выходной Г-образный LC-фильтр 2 улучшает качество входного напряжения, которое прикладывается к первой и второй первичным обмоткам 23 и 24 трансформатора с вращающимся магнитным полем 3. Поскольку первая и вторая первичные обмотки трансформатора смещены в пространстве одна относительно другой на угол 90° и подключены между собой через фазосдвигающий конденсатор 14, 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. С выхода генератора пилообразного напряжения 17 опорный сигнал пилообразной формы u_ГПН (фиг. 2, а) прикладывается к первому входу формирователя импульсов 19, ко второму входу формирователя импульсов прикладывается напряжение ведущего сигнала постоянного тока u_ТВБ с выхода трансформаторно-выпрямительного блока 22. Когда напряжение на выходе генератора пилообразного напряжения больше выходного напряжения трансформаторно-выпрямительного блока, т.е. когда выполняется условие, что u_ГПН>u_ТВБ, тогда на выходе формирователя импульсов формируются управляющие импульсы (фиг.2, а, б), которые поступают на первые входы логических элементов 16 и 21. На вторые входы этих элементов поступает сигнал от датчика полярности напряжения 18 u_ДПН (фиг. 2, в), работа которого синхронизирована с одной из фаз А, В или С выходного напряжения через трансформаторно-выпрямительный блок 22. При положительной полярности выходного напряжения сигнал u_ДПН1 (фиг. 2, в) с выхода датчика полярности напряжения 18 поступает на второй вход логического элемента 16 с выхода этого элемента через усилитель импульсов 15 импульсы управления поступает на управляющие входы транзисторов 6 и 9. Они периодически открываются и закрываются посредством ШИМ в результате на выходе силовой схемы инвертора 1 формируется положительная полуволна напряжения синусоидального тока u_И1 (фиг. 2, б, в). В случае, когда полярность выходного напряжения переменного тока будет отрицательной, то это приведет к закрытию логического элемента 16 и откроется логический элемент 21, поскольку на его второй вход поступает сигнал u_ДПН2 от датчика полярности напряжения. В результате закроются транзисторы 6 и 9 и периодически будут открываться и закрываться транзисторы 7 и 8. В результате на выходе силовой схемы инвертора 1 формируется отрицательная полуволна напряжения синусоидального тока u_И1 (фиг. 2, б, в). К примеру, если выходное напряжение трансформатора с вращающимся магнитным полем 3 уменьшится, то и уменьшится напряжение на выходе трансформаторно-выпрямительного блока 22 до величины u_ТВБ2 (фиг. 2, г). Это приведет к увеличению времени открытого состояние транзисторов 6, 9 и 7, 8 (увеличению длительности импульсов) и повышению, соответственно, напряжения на выходе преобразователя до величины u_И2 (фиг. 2, д).

Использование в составе преобразователя выходного Г-образного LC-фильтра и блока управления, реализующего ШИМ выходного напряжения, выгодно отличает предлагаемый преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное от аналогов, так как повышается качество выходного напряжения за счет реализации ШИМ выходного напряжения посредством блока управления инвертором, а также установке Г-образного LC-фильтра на его выходе подавляющего высшие гармоники, возникающие при коммутации транзисторов.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автономных системах электроснабжения для преобразования напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока. Для повышения качества выходного напряжения преобразователя на выходе однофазной мостовой схемы инвертора применяется Г-образный LC-фильтр 2 и блок управления преобразователем 4, который реализует ШИМ и стабилизацию выходного напряжения инвертором. Преобразователь содержит силовую схему мостового инвертора 1, содержащую входной конденсатор 5, соединенный с источником постоянного тока U_И, биполярные транзисторы 6-9 и шунтирующие диоды 10-13, выходной Г-образный LC-фильтр 2, трансформатор с вращающимся магнитным полем 3, содержащий первую и вторую первичные обмотки 23 и 24 соответственно, фазосдвигающий конденсатор 14, вторичные обмотки 25-27. 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 усилители импульсов 15 и 20, логические элементы И 16 и 21, датчик полярности напряжения 18, генератор пилообразного напряжения 17, формирователь импульсов 19 и трансформаторно-выпрямительный блок 22. 2 ил.

Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное, содержащий входной конденсатор, однофазный мостовой инвертор, выполненный на транзисторах, выход которого подключен к первичным обмоткам трансформатора с вращающимся магнитным полем, цепь управления транзисторами инвертора подключена к выводам блока управления, отличающийся тем, что выводы однофазного мостового инвертора подсоединяются к входу Г-образного LC-фильтра, выход которого подключен к первой первичной обмотке трансформатора с вращающимся магнитным полем и второй первичной обмотке, которая смещена в пространстве относительно первой на угол 90° и конец которой соединен с концом первой первичной обмотки, а ее начало через фазосдвигающий конденсатор соединено с началом первой первичной обмотки, три вторичные обмотки трансформатора сдвинуты одна относительно другой на угол 120°, их начала соединены по схеме «звезда», а концы являются выводами для подключения трехфазной нагрузки, блок управления содержит трансформаторно-выпрямительный блок, формирователь импульсов, генератор пилообразного напряжения, датчик полярности напряжения, первый и второй логические элементы И, первый и второй усилители импульсов, причем вход трансформаторно-выпрямительного блока является входом блока управления, а выходы усилителей импульсов являются выходами блока управления, первый выход трансформаторно-выпрямительного блока соединен с входом формирователя импульсов, а его второй выход с входом датчика полярности напряжения, второй вход формирователя импульсов соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, выход формирователя импульсов соединен с первыми входами логических элементов И1 и И2, вторые входы которых соединены с первым и вторым, соответственно, выходами датчика полярности напряжения, выходы логических элементов И1 и И2 соединены с входами первого и второго, соответственно, усилителей импульсов.