Преобразователь напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока Российский патент 2025 года по МПК H02M7/00 

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.

Наиболее близким по техническому решению является преобразователь (патент РФ №2210167 C1, Н02М 7/53, Бюл. №22, 2003), состоящий из однофазной мостовой схемы инвертора, на входе которой подключен конденсатор, трансформатора с вращающимся магнитным полем, содержащий первую и вторую первичные обмотки, фазосдвигающий конденсатор, и три вторичные обмотки, и блок управления.

Недостатки преобразователя: при понижении напряжения одной из фаз трехфазной системы напряжений, возникает несимметрия нагрузки, что приводит к искажению вращающего магнитного поля трансформатора и изменению напряжений в других фазах, появляются дополнительные потери электроэнергии в трансформаторе.

Техническим результатом поставленной задачи является уменьшение уровня несимметрии трехфазной системы напряжений при подключении к преобразователю однофазных потребителей электроэнергии.

Технический результат достигается тем, что преобразователь напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока, содержащий входной конденсатор, подключенный к выводам «плюс» и «минус» источника питания, силовую схему инвертора, выполненную на транзисторах, трансформатор с вращающимся магнитным полем с первичными обмотками, подключенными 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 подключены к выводам системы управления инвертора, согласно изобретению, имеет вторичные обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем, к общей точке которых подключен нулевой провод, являющийся четвертым выходом преобразователя, и преобразователь содержит блок коммутации, выполненный на встречно-параллельно включенных между собой двух транзисторов, параллельно включенные фазосдвигающему конденсатору, управляющие входы транзисторов блока коммутации соединены с выходом системы управления блоком коммутации, а ее вход соединен с выходом А, В и С преобразователя, при этом система управления блоком коммутации содержит датчик напряжения, формирователь импульсов, генератор пилообразного напряжения, датчик полярности напряжения, первый и второй логические элементы И, первый и второй усилители импульсов, причем вход датчика напряжения является входом системы управления блоком коммутации, выход которого подключен к первому входу формирователя импульсов, второй вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, входы генератора пилообразного напряжения и датчика полярности напряжения соединены с выходом силовой схемы инвертора, первый и второй выходы датчика полярности напряжения соединен с первыми входами первого и второго логических элементов И, вторые входы которых соединены с выходом формирователя импульсов, выходы первого и второго логических элементов И соединены через первый и второй формирователи импульсов с управляющими входами первого и второго транзисторов блока коммутации.

Новизна заявленного решения обусловлена тем, что для выравнивания несимметричного режима к общей точке вторичных обмоток трансформатора подключен нулевой провод и с помощью системы стабилизации напряжения изменяется емкость фазосдвигающего конденсатора, оказывающего влияние на форму вращающегося магнитного поля.

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 устройства преобразования постоянного напряжения в трехфазное, на фиг. 2 показаны диаграммы напряжения, поясняющие принцип работы блока стабилизации напряжения; на а) - форма напряжения на выходе однофазной схемы инвертора в точках а и б (фиг. 1); на б) - форма сигналов на выходе генератора пилообразного напряжения и датчика напряжения и_ГПН и и_ДН соответственно; на в) - форма импульсов и_ФИ, формирующих на выходе формирователя импульсов; на г) - форма импульсов управления транзистором 21 блока коммутации (фиг. 1); на д) - форма импульсов управления транзистором 22 блока коммутации (фиг. 1); на е) - форма сигналов на выходе генератора пилообразного напряжения и датчика напряжения и_ГПН и и_ДН при повышении напряжения; на ж) - форма импульсов и_ФИ формирующих на выходе формирователя импульсов при повышении напряжения; на фиг. 3 приведены векторные диаграммы напряжений, поясняющие принцип стабилизации напряжения, для коэффициента трансформации равного единице: на а) - векторные диаграммы напряжений в первичных обмотках трансформатора и и во вторичных обмотках в номинальном режиме работы преобразователя; на б) - векторные диаграммы напряжений в первичных обмотках трансформатора и во вторичных обмотках в несимметричном режиме работы.

Преобразователь напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока имеет элементы под следующими позициями:

1 - силовая схема инвертора;

2 - трансформатор с вращающимся магнитным полем;

3 - блок коммутации;

4 - система управления блоком коммутации;

5 - система управления инвертором;

6 - входной конденсатор;

7 - первый транзистор силовой схемы инвертора;

8 - второй транзистор силовой схемы инвертора;

9 - третий транзистор силовой схемы инвертора;

10 - четвертый транзистор силовой схемы инвертора;

11 - первый обратный диод;

12 - второй обратный диод;

13 - третий обратный диод;

14 - четвертый обратный диод;

15 - первая первичная обмотка трансформатора с вращающимся магнитным полем;

16 - вторая первичная обмотка трансформатора с вращающимся магнитным полем;

17 - первая вторичная обмотка трансформатора с вращающимся магнитным полем;

18 - вторая вторичная обмотка трансформатора с вращающимся магнитным полем;

19 - третья вторичная обмотка трансформатора с вращающимся магнитным полем;

20 - фазосдвигающий конденсатор;

21 - первый транзистор блока коммутации;

22 - второй транзистор блока коммутации;

23 - датчик напряжения;

24 - формирователь импульсов;

25 - датчик полярности напряжения;

26 - генератор пилообразного напряжения;

27 - первый логический элемент И;

28 - второй логический элемент И;

29 - первый усилитель импульсов;

30 - второй усилитель импульсов.

Преобразователь содержит силовую схему инвертора 1, содержащую входной конденсатор 6, соединенный с выводами «плюс» и «минус» источника питания U_d , первый, второй, третий и четвертый транзисторы силовой схемы инвертора 7-10 соответственно, первый, второй, третий и четвертый обратные диоды 11-14 соответственно, трансформатор с вращающимся магнитным полем 2, содержащий первую и вторую первичные обмотки 15 и 16 соответственно, фазосдвигающий конденсатор 20, первую, вторую и третью вторичные обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем 17-19 соответственно. На чертеже показаны выводы А, В, С и N для подключения нагрузки, блок коммутации 3, содержащий первый и второй транзисторы 21 и 22 соответственно, система управления блоком коммутации 4, содержащая датчик напряжения 23, формирователь импульсов 24, датчик полярности напряжения 25, генератор пилообразного напряжения 26, первый и второй логические элементы И 27 и 28 соответственно, первый и второй усилители импульсов 29 и 30 соответственно, а также систему управления инвертором 5.

Входной конденсатор 6 соединен с источником постоянного напряжения «плюс» - «минус» U_d и последовательно включенными первым и вторым транзисторами силовой схемы инвертора 7 и 8 соответственно и третьим и четвертым транзисторами силовой схемы инвертора 9 и 10 соответственно, базы которых соединены с системой управления инвертором 5. Параллельно первому, второму, третьему и четвертому транзисторам силовой схемы инвертора 7-10 в обратном направлении включены первый, второй, третий и четвертый обратные диоды 11-14 соответственно. Выход силовой схемы инвертора 1 соединен с первой первичной обмоткой трансформатора с вращающимся магнитным полем 15 и через фазосдвигающий конденсатор 20 со второй первичной обмоткой трансформатора с вращающимся магнитным полем 16. Первая и вторая первичные обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем 15 и 16 соответственно смещены в пространстве на угол 90°. Первая, вторая и третья вторичные обмотки 17, 18 и 19 трансформатора с вращающимся магнитным полем 2 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 и N. Вход системы управления блока коммутации 4, соединен с выводами А, В, С, а ее выход через первый и второй транзисторы блока коммутации 21 и 22 соответственно подключен параллельно к выводам фазосдвигающего конденсатора 20. Выход системы управления инвертором соединен с управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого транзисторов силовой схемы инвертора 7-10 соответственно.

Преобразователь напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока работает следующим образом. Напряжение источника питания постоянного тока U_d прикладывается к входу силовой схемы инвертора 1, содержащей первый, второй, третий и четвертый транзисторы силовой схемы инвертора 7-10 соответственно. Первый, второй, третий и четвертый обратные диоды 11-14 соответственно защищают транзисторы силовой схемы инвертора от обратного напряжения. Система управления инвертором 5 формирует управляющие сигналы, которые поочередно попарно открывают первый и четвертый транзисторы 7 и 10 или второй и третий 8 и 9 транзисторы силовой схемы инвертора. В результате на выходе инвертора формируется переменное напряжение и_аб (фиг. 2, а), которое прикладывается к первой и к первой и второй первичным обмоткам трансформатора с вращающимся магнитным полем 15 и 16 соответственно. При протекании тока в первой и второй первичных обмотках трансформатора с вращающимся магнитным полем 15 и 16 наводят вращающееся магнитное поле в магнитопроводе трансформатора, вызывающее действие трехфазной системы ЭДС в первой, второй и третьей вторичных обмотках трансформатора 17-19 соответственно. Сдвиг фаз между напряжениями в первичных обмотках, при возникновении несимметрии в нагрузке, регулируется путем изменения емкости фазосдвигающего конденсатора 20 системой управления блоком коммутации 4.

Система управления блоком коммутации 4 работает следующим образом. В номинальном режиме работы с выводов преобразователя для подключения нагрузки А, В и С сигнал пропорциональный величине выходного напряжения, являющийся ведущим для системы управления блоком коммутации 4, через датчик напряжения 23 поступает на первый вход формирователя импульсов 24 (фиг. 2, 6, и_ДН). На второй вход формирователя импульсов 24 поступает сигнал и_ГПН от источника опорного сигнала - генератора пилообразного напряжения 26 (фиг. 2, б), работа которого синхронизирована с выходным напряжением силовой схемы инвертора 1 и_аб (фиг. 2, а). Когда и_ГПН > и_ДН формирователь импульсов 24 формирует управляющие импульсы и_ФИ (фиг. 2, в), которые поступают на первые входы первого и второго логических элементов И 27 и 28 соответственно. На вторые входы логических элементов И 27 и 28 соответственно поступает сигнал от датчика полярности напряжения 25, работа которого также синхронизирована с выходным напряжением и_аб силовой схемы инвертора 1 (фиг. 2, а). При положительной полуволне выходного напряжения инвертора и_аб срабатывает первый логический элемент И 21 и сигнал управления и_у21 (фиг. 2, г) через усилитель импульсов 29 поступает на управляющий вывод первого транзистора 21 блока коммутации 3, при отрицательной полуволне выходного напряжения инвертора и_аб срабатывает второй логический элемент И 28 и сигнал управления и_у22 (фиг. 2, д) через усилитель импульсов 30 поступает на управляющий вывод второго транзистора 22 блока коммутации 3. Угол управления транзисторами 21 и 22 блока коммутации 3, равный α₁ (фиг. 2, в), и угол сдвига фаз между векторами напряжения первичных обмоток трансформатора, равный ϕ₁ (фиг. 3, а), соответствует номинальному режиму работы преобразователя. К примеру, если напряжение на выходе преобразователя в фазе U_в уменьшится (фиг. 1), это приведет к искажению формы кругового вращающегося магнитного поля, поскольку угол сдвига фаз между векторами напряжений первичных обмоток трансформатора уменьшится до величины ϕ₂ (фиг. 3, б). Кроме того, изменится величина векторов напряжений в фазах трансформатора в результате искажения кругового вращающегося магнитного поля (фиг. 3, б). В этом случае на выходе датчика напряжения 23 уменьшится напряжение и_ДН (фиг. 2, е), в результате уменьшится угол управления транзисторами до величины, равной α₂ (фиг. 2, ж). Первый и второй транзисторы 21 и 22 соответственно блока коммутации 3, больше время будут открыты, что приведет к увеличению угла сдвига фаз ϕ между векторами напряжений первичных обмоток трансформатора и выравниванию магнитного поля из эллиптической формы в круговую (фиг. 3, а) В результате выравнивается несимметрия напряжений на выходе преобразователя и повышается напряжение в фазе U_в.

Использование в составе преобразователя нулевого провода во вторичных обмотках трансформатора с вращающимся магнитным полем и системы управления блоком коммутации, изменяющей емкость фазосдвигающего конденсатора, выгодно отличает предлагаемый преобразователь напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока от известного, так как уменьшается несимметрия трехфазной системы напряжений при подключении к преобразователю однофазных потребителей электроэнергии.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для преобразования напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока. Техническим результатом является уменьшение уровня несимметрии трехфазной системы напряжений при подключении к преобразователю однофазных потребителей электроэнергии. Для этого к общей точке вторичных обмоток трансформатора с вращающимся магнитным полем подключен нулевой провод. Кроме того, в состав преобразователя введен блок коммутации и система его управления. Преобразователь содержит силовую схему инвертора, содержащую входной конденсатор, четыре транзистора силовой схемы инвертора, четыре обратных диода, трансформатор с вращающимся магнитным полем, содержащий две первичные обмотки, фазосдвигающий конденсатор, три вторичные обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем, выводы А, В, С и N для подключения нагрузки, блок коммутации, содержащий два транзистора, систему управления блоком коммутации, содержащую датчик напряжения, формирователь импульсов, датчик полярности напряжения, генератор пилообразного напряжения, первый и второй логические элементы И, первый и второй усилители импульсов, а также систему управления инвертором. 3 ил.

Преобразователь напряжения постоянного тока в трехфазное напряжение переменного тока, содержащий входной конденсатор, подключенный 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 подключены к выводам системы управления инвертора, отличающийся тем, что к общей точке вторичных обмоток трансформатора с вращающимся магнитным полем подключен нулевой провод, являющийся четвертым выходом преобразователя, и преобразователь содержит блок коммутации, выполненный на встречно-параллельно включенных между собой двух транзисторах, параллельно включенных фазосдвигающему конденсатору, управляющие входы транзисторов блока коммутации соединены с выходом системы управления блоком коммутации, а ее вход соединен с выходом А, В и С преобразователя, при этом система управления блоком коммутации содержит датчик напряжения, формирователь импульсов, генератор пилообразного напряжения, датчик полярности напряжения, первый и второй логические элементы И, первый и второй усилители импульсов, причем вход датчика напряжения является входом системы управления блоком коммутации, выход которого подключен к первому входу формирователя импульсов, второй вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, входы генератора пилообразного напряжения и датчика полярности напряжения соединены с выходом силовой схемы инвертора, первый и второй выходы датчика полярности напряжения соединены с первыми входами первого и второго логических элементов И, вторые входы которых соединены с выходом формирователя импульсов, выходы первого и второго логических элементов И соединены через первый и второй формирователи импульсов с управляющими входами первого и второго транзисторов блока коммутации.