Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное Советский патент 1985 года по МПК H02M7/48 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания и электропривода для преобразования постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное.

Известен преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное, содержащий основной и вспомогательный однофазные инверторы с выходными трансформаторами, вторичные обмотки которых соединены в две фазы и включены по схеме открытого треугольника, общая верщина .которого образована средней точкой вторичной обмотки основного трансформатора и образует один выходнрй вывод преобразователя. Крайние выводы вторичной обмотки основного трансформатора соединены через ключи переменного тока с двумя другими выходными выводами преобразователя. К каждому из этих выводов подключен че-. рез вторичную o6MOTky вспомогательного трансформатора и ключ переменного тока промежуточный вывод смежной полуобмотки. Основной и вспомогательный инверторы и трансформаторы работают на частотах, в 3 и 4,5 раза превышающих выходную, поэтому имеют значительную массу и габариты особенно при низкой выходной частоте преобразователя. Напряжения вторичных, обмоток трансформаторов алгебраически суммируются, и на выходе преобразователя формируется- трехфазное четырехступенчатое напряжение, содержащее значительный процент высших гармоник I.

Недостатки преобразователя - большая масса и габариты, несинусоидальная форма кривой выходного напряжения.

Известен также преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное, содержащий основной и вспомогательный однофазные инверторы, выходами нагруженные на первичные обмотки основного и вспомогательного .трансформаторов. Вторичная обмотка основного трансформатора содержит среднюю точку, образующую один выходной вывод преобразователя и по два промежуточных вывода в каждой нолуобмотке, которые вместе с концами полуобмоток соединены через вторичные обмотки вспомогательного трансформатора и ключи переменного тока с двумя другими выходными выводами преобразователя. Основной и вспомогательный инверторы работают на частотах,. соответственно в 3 и 6 раз превышающих выходную частоту преобразователя, поэтому имеют значительную массу и габариты особенно при низкой выходной частоте преобразователя. Выходное напряжение преобразователя имеет шестиступенчатую форму, поэтому содержит значительный процент высших гармоник (2J.

Недостатки данного преобразователя - большие масса и габариты, несинусоидальная форма кривой выходного напряжения. Наиболее близким по технической сущ5 ности к изобретению, в котором трехфазное выходное напряжение формируют также из двух линейных напряжений, является преобразователь постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное, содержащий основной и вспомогательный однофазные инверторы, выходами нагруженные на первичные обмотки основного и вспомогательного трансформаторов. Вторичная об мотка основного трансформатора содержит среднюю точку, образующую один выходной

5 вывод преобразователя и по промежуточных выводов в каждой нолуобмотке, которые вместе с концами полуобмоток соединены через вторичные обмотки вспомогательного трансформатора и ключи переменного тока с двумя другими выходными

0 выводами преобразователя, где N - число элементарных ступеней в полупериоде выходного напряжения. Блок управления содержит послед овательпо связанные между собой задающий генератор, N-канальный распределитель импульсов, логические элементы ИЛИ, два комбинационных устройства и блок буферных усилителей, между одним из логических элементов ИЛИ и комбинацион- ными устройствами включен триггер 3. Основной и вспомогательный инверторы

0 и трансформаторы известного устройства работают на частоте, в превышающей выходную частоту преобразователя, поэтому имеют большую массу и габариты особенно при низкой выходной частоте преобразователя.

5 Цель изобретения - уменьшение массы и габаритов преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное, содержащем основной и вспомогательный однофазные инверторы, выходами нагруженные на первичные обмотки основного и вспомогательного трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены в две смежные фазы и включены по схеме открытого треугольника, общая вершина которого образована средней точкой вторичной обмотки основного трансформатора и непосредственно связана с вторым выходным выводом преобразователя, а каждая из указанных фаз

содержит вторичную полуобмотку основного трансформатора с промежуточными выводами, из которых соответствующие выводы обеих полуобмоток вместе с концами данных полуобмоток образуют две группы выводов, которые через вторичные обмотки вспомогательного трансформатора и ключи переменного тока порознь соединены с первым и третьим выходными выводами преобразовате

ля и блок управления, содержащий последователыю связанные между собой задающий генератор, N-канальный распределитель имнульсов, соответствуюнию каналы которого соединены через логические элементы 4ИЛИ и блок буферных усилителей с управляющими входами ключей переменного тока, первый канал распределителя импульсов подключен к входу триггера, прямой и инверсный выходы которого связаны с первым и третьим входами элемента 2-2И-2ИЛИ, между вторым .и четвертыми входами которого включен первый элемент НЕ, выход элемента 2-2И-2ИЛИ соединен непосредственно с одним из входов блока буферных усилителей и через второй элемент НЕ - с другим входом, а соответствующие выходы блока буферных усилителей связаны с управляющими входами ключей вспомогательного инвертора, блок управления содержит (-1 - 4) упомянутых элементов 4ИЛИ и в него введены второй дриггер, по два ло-. гических элемента 2ИЛИ и ЗИЛИ и - входовый элемент ИЛИ, причем выход задающего генератора подключен также к входу второго триггера, прямой и инверсный выходы которого связаны через блок буферных усилителей с управляющими входами ключей основного инвертора, соответствующие каналы распределителя имнульсов - с входами логических элементов 2ИЛИ, ЗИЛИ, , выход последнего подключен к второму входу элемента 2-2И-2ИЛИ, выходы элементов 2ИЛИ, ЗИЛИ также через блок буферных усилителей соединены с управляющими входами ключей переменного тока преобразователя, а каждая вторичная полуобмотка основного трансформатора содержит промежуточных

выводов, из которых -Ц - 1 соответствующих выводовкаждой полуобмотки и конец одной полуобмотки образуют указанную группу выводов, а один промежуточный вывод каждой полуобмотки связан через ключ переменного тока с выходным выводом смежной фазы, где N - число элементарных ступеней в полупериоде выходного напряжения преобразователя, равное или кратное 21.

На фиг. 1 представлена принципиальнаясхема силовой части преобразователя для случая на фиг. 2 - принципиальная схема системы управления преобразователем; на фиг. 3 - ди.аграммы, поясняющие принцип формирования импульсов управления -силовыми ключами преобразователя, формы напряжений на обмотках трансформаторов и выходного линейного напряжения.

Преобразователь (фиг. i) содержит основной и вспомогательный однофазные инверторы, выполненные соответственно на ключах 1-4 и 5-8. Выходы инверторов на-гружены на первичные обмотки .осиов.ного 9 и вспомогательного 10 трансформаторов.

Секции 11 - 16 вторичной обмотки трансформатора 9 и обмотки 17-21 вспомогательного трансформатора 10 соединены в две фазы и включены через ключи 22-33 по с.хеме открытого треугольника, общая верпщна которого образована средней точкой вторичной обмотки основного трансформатора и непосредственно связана со вторым выходным выводом преобразователя (фазой В). Все выводы вторичной обмотки основного трансформатора вместе с ее концами образуют две группы выводов. К первой группе относятся выводы, которые через обмотки 17, 19 и 21 фазы А и 18, 20, фазы С, ключи 22-27 переменного тока соединены с первым выходным выводом (фазой А) преобразователя. К второй группе относятся выводы, которые через обмотки 18 и 20 фазы А и 17, 19, 2 фазы С, ключи 28--33 подключены к третьему выходному выводу (фазе С). Кроме того, промежуточный вывод фазы С связан через ключ 25 с первым выходт11м выводом, а промежуточный вывод фазы А соединен через ключ 31 с третьим выходнЕ,1м выводом преобразователя.

В качестве ключей 1-8 однофазных инверторов могут быть использованы транзисторы или тиристоры, а в качестве ключей 22-33 переменного тока - симисторы, встречно-параллельно включенные тиристоры или транзисторы с последовательно включенными диодами, транзисторы, включенные в диагонали постоянного тока диодных мостов.

Блок управления преобразователем (фиг. 2) содержит задающий генератор 34. выход которого подключен к распределителю 35 импульсов, имеющему 21 выходных каналов и выполненному в виде кольцевой нересчетпой схемы.

Каналы распределителя 35 импульсов соединены с входом первого триггера 36 и входами логических элементов 10 ИЛИ 37 4 ИЛИ 38-45, 3 ИЛИ 46-47, 2 ИЛИ 48-49. Выход задающего генератора 34 связан также со входом второго триггера 50, прямой и инверсный выходы которого подключены через блок 51 буферных усилителей к управляющ1.м входам ключей I-4 основного -инвертора. Выход элемента 10ИЛИ 37 соединен со входом первого элемента НЕ 52 н вторым входом элемента 2-2И-2ИЛИ 53. Прямой и инверсный выходь первого триггера 36 связаны с первым и третьим входами элемента 53, а выход элемента 52 - с четвертым входом. Выход элемента 53 непосредственно, а также через второй элемент НЕ 54 подключен к двум входам блока 51, соответствующие выходы которого соединены с управляющими входами ключей 5-8 вспомогательного инвертора. Выходы элементов 38-49 также через блок 51 буферрых усилителей соединены с управляющими входами ключей 22-33 переменного тока.

На фиг. 3 диаграммы 55-78 представля ют формы, импульсов на выходах следующих элементов:

55 - задающего генератора 34;

56, 57 - прямого и инверсного вы.ходов триггера 50 (импульсы управления ;лючами 1,2 и 3,4 основного инвертора);

58- элемента 37;

59и 60 - прямого и инверсного выходов триггера 36;

61 и 62 - элемента 53 в течение первого и второго полупериодов соответственно;

63 и 64 - элементов 53 и 54 (импульсы управления ключами 5, 6 и 7, 8);

65 н 66 - трансформаторов 9 и 10;

67-78 - элементов (импульсы управления ключами 22-33 переменного тока соответственно; .

79 - преобразователя (форма выходного линейного напряжения иль).

Устройство работает следующим образом.

Задающий генератор 34 (фиг. 2) формирует последовательность импульсов 55 (фиг. 3.), которая поступает на входы триггера 50 и распределителя 35 импульсов. Сигналы 56 и 57 прямого и инверсного выходов триггера 50 усиливаются блоком 51 буферных усилителей и поступают на управляющие входы ключей 1,2 и 3.4 основного инвертора. Импульсы с выходов соответствующих каналов распределителя 35 нмпульсов суммируются элементом 10ИЛИ 37 и результирующая прямая последовательность импульсов 58 поступает на второй вход элемента 53. Кроме того, эта последовательность инвертируется элементом НЕ 52 и подается на четвертый вход элемента 53. Выходным импульсом первого канала распределителя 35 импульсов триггер 36 устанавливается в состояние «1,которое сохраняет ся в течение 21-го периода работы задаю щего генератора 34, что соответствует полупериоду выходного напряжения преобразователя. Сигналы 59 и 60 с прямого и инверсного выходов триггера 36 поступают соответственно на первый и третий входы элемента 53, обеспечивая прохождение прямой последовательности импульсов 61 с выхода элемента 37 на один из входов блока 51 в течение первого полупериода выходного напряжения преобразователя и прохождение инверсной последовательности импульсов 62 с выхода элемента 52 - в течение второго полупериода. Результирующая выходная последовательность импульсов 63 элемев{та 53 усиливается блоком 51 и поступает на управляющие входы ключей 5i и 6 вспомогательного инвертора. Кроме того, эта последовательность инвентируегся элементом 54, усиливается блоком 51 и поступает на управляющие-входы ключей 7

и 8. В результате работы основного и вспомогательного инверторов на обмотках трансформаторов 9 и 10 формируются напряжения 65 и 66.

5 Кроме того, выходые импульсы соответствующих каналов распределителя 35 импульсов суммируются с помощью элементов 33-49, усиливаются блоком 51 и поступают на управляющие входы ключей 22-33

неременного тока (диаграммы 67-78 соответстйенно). Причем номера выходов блока 51 совпадают с номерами ключей, к которым они подключены.

Для получения выходного напряжения преобразователя, близкого по форме к синусоидальному, амплитуды его ступеней выбирают из условия исключения гармоник, близких к основной. При этом амплитуда j-й ступени выходного линейного напряжения определяется следующим образом

0Uj. Umsin(fj-),

гдеУп,амплитуда аппроксимирующей ступенчатое напряжение синусоиды, про ходящей через середины горизонтальных участков ступеней.

5 Кроме того, следует учесть, что при формировании трехфазного напряжения с для амплитуд ступеней выполняются следующие равенства

:Ui+Uy Uj;Ui + Ug U9;Uj-bU5 U«,0 U4 + U4 Uii

Для получения напряжения с указанными амплитудами ступеней величины напряжений на секциях 11 -16 вторичной обмотки основного трансформатора (Ucu - Ucis) 5 и на вторичных обмотках 17-21 вспомогательного трансформатора (Uoir- Uoa ) должны быть связаны с амплитудами ступеней выходного линейного напряжения следующим образом

0 Ucu 0,5(Ui-hU3);

U t+UMt 0,5(U2 + U4);

Uctt -fUm -bUcij 0,5(ШЧ-Ur);

Ucit +Ucu +Uci3 +LF(

Ucu + Ucu + Ucii + Uct4 + Uci5 0,5 (Ue + Ujo)

UMI + Uois -f Uci3 + UcM + Ucj5 + Ucj6 0,5 (U,-f+ Uu);

UoiT 0,5(U3-Ui); Uo 0,5(U4-Uz); ,5(U7-Us); ,5(Uio-Ug); UoM 0,5(Uu-Us).

Полупериод выходного напряжения преобразователя можно разбить на 21 равных интервалов (элементарные ступени). На первом интервале замыкают ключи 22 и 32 (диаграммы 67, 77). При этом через замкнутый ключ 22 к выходным выводам А и В преобразователя прикладывается разность напряжений секции II и обмотки 17 фазы А

UAB Ucii -Uojr 0,5(Ui + УЗ)-0,5(U3- -Ui)Ui,.

к выводам В и С через ключ 32 - разность напряжений секций II -15 и обмотки 20 фазы А

UBC -(Ucji +Ucia+Ucn+Ucis) + + Uozo -0,5(Ue + U,o)+0.5(U«-U8)

к выводам С и A

, UCA -(UAB + UBC) -(Ui-Ue) Ur. В результате на первом интервале формируются первая положительная, восьмая отрипательная и седьмая положительная ступени, линейныхнапряжений UM, UBC, UcA соответственно.

На втором интервале меняется полярность напряжений 65 и 66 на обмотках основного и вспомогательного трансформаторов 9 и 10, замыкаются ключи 23 и 33. К выводам А и В прикладывается разность на пряжений секций 11, 12 и обмотки 18 фазы С иле Ucii -f Ucji-Uoj 0,5 (Ua + U) - -0.5{U4-U)-Ua,

к выводам В и С - разность напряжений секций 11 - 16;и обмотки 21 фазы С

- (Ucji +Ucu+Ucu -|-Uci4 -f UclS4-Ucl6)-| -Uo2l -0,5(Us+Uu)+0,5(Uu-U9) -U9, -.

к выводам С и A - Uw- -(UAi + UBc)-(Ui-U9)U6, т.е. формируются вторая положительная, девятая отрицательная и шестая по.пожительная ступени линейных напряжений.

На третьем интервале меняется полярность напряжений на обмотках основного трансформатора и вновь замыкают те же ключи 22 и 32, что и на первом интервале, поэтому выходные линейные напряжения становятся равными

+Uoir 0,5(Ui + U3)+0,5(U3- -Ui)Uj;,

Use -(Ucii +Um +Ucii +UcH +Ucjs)- -Uozo -0,5(U8 +Uio)-0,5(Uio-U8}- -U (UAe + .)-(U3-U,o)U5.

При этом формируются третья положительная, десятая отрицательная и пятая поожительная ступени линейных напряжений Шб 1 и вс, Uct.

На следующих интервалах работа преобразователя происходит аналогично в соответствии с формами напряжений на обмотках трансформаторов и диаграммами импульсов управления ключами. В результате работы преобразователя на его выходе формируется трехфазное напряжение 79.

Подключение любой ветви схемы с помощью ключей переменного тока обеспечивает возможность прохождения тока в двух направлениях и постоянство разности потенциалов фаз в течение каждого интервала. Это обуславливает работоспособность преобразователя при любом коэффициенте мощности нагрузки с неизменной формой кривой выходного напряжения.

Предлагаемый преобразователь имеет меньшую массу и габариты по сравнению с известным так как трансформаторы последнего работают на частоте, в 12 раз, а трансформаторы предлагаемого устройства - на частотах в 21 и 10,5 раз превышающих выходную частоту преобразователя. Причем сновная часть мощности передается а нагрузку . через основной трансформатор, работающий на более высокой частоте. Наибольшие преимущества по массогабаритным показателям получаются при формировании низкочастотных напряжений Расчеты показывают, что при выходной частоте 50 Гц и ниже предлагаемый преобразователь имеет, примерно, на 30% меньшие массу и габариты. Это достигается не только за счет более высокой частоты работы основного трансформатора, но и более легкого режима его работы: на обмотках трансформатора формируется прямоугольный синус вместо сложной кривой в известном устройстве. Система управления предлагаемого преобразователя также проще, чем известного за счет более простого управления ключами основного инвертора.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ТРЕХФАЗНОЕ КВАЗИСИНУСОИДАЛЬНОЕ, содержащий основиой и всиомогательный однофазные инверторы, выхода.ми нагруженные на первичные обмотки основного и вспомогательного трансформаторов, вторичные об.мотки которых соединены в две смежные фазы и включены ио схеме открытого треугольника, общая BepiHHiia которого образована сроднен точкой вторичной обмотки основного- трансформатора и неносредственно связана с вторым выходным выводом преобразователя, а каждая нз указанных фаз содержит вторичную полуобмотку основного трансформатора с нромежуточнымн В 11водами, нз кот торых cooTBeTCTByiOHUie В1 1воды обеих нолуобмоток в.месте с концами дан1нмх нолуобмоток образуют две грунны выводов, которые, через вторичные обмотки вспомогательного трансформатора и ключи переменного тока иорознь соединены с иервым и третьим выходными выводами иреобразователя, и блок, уиравления, содержащий последовательно связанные между собой задаюнщй генера-, тор, N-канальный распределитель импульсов соответствуюндие канал 1 которого через логические элемент1)1 4 ИЛИ н блок 6y(f)epHbix усилителей соединены с управляющими входами ключей неременного тока, причем первый канал раснределнтеля импульсов подк ночеи к входу триггера, прямой и ннверсный выходы которого связаны с первым н третьи-. входами элемента 2-2И-2ИЛИ, между вторг,1м и четвертым входами этого элемента включен нерв-ын элемент. НЕ, выход элемента 2.-2И-2 ИЛИ соединен непосредственно с одним из входов блока буферных усилителей н через второй элемент НЕ - с друп-.м его входо.м, соответствуюнгие выходы блока буферных усилителей связаны с уп рав.- Я1он1пмн входами ключей всномогательного инвертора, отличающийся тем, что, с ucvibio умеиьн1ения его массы н габаритов; блок управления содержит - 4) упомянутых элеме1 тов 4 ИЛИ и в него введены g второй триггер, по два логических элемента 2ИЛИ н ЗИ,ПИ и входовый элемент (Л ИЛИ, причем- выход задаюн.1его генератора нодк/почен также к входу второго триггера, прямой н инверсный выходы поа1еднего связаны через блок буферных усилителей с угграв,;ипон1.ими входами ключей основного инвертора, соответствующие каналы распределителя 1 мпульсов соединены с входами ло05 гических элементов 2ИЛИ, ЗИЛИ. 05 выход последнего подключен к второму входу элемента 2-2И-2ИЛИ, выходы элементов ю 2ЙЛ11, ЗИЛИ также, через блок буферных 4 усилителей соединены с управляющими вхосл дам1 ключей переменного тока преобразователя, а каждая вторичная полуобмотка основного трансформатора содержит - 1 про межуточных выводов, из которых - - 1 соответствующих выводов каждой полуобмотки н конец одной нолуобмоткн образуют упомянутую группу выводов, а один промежуточный вывод каждой полуобмотки связан через ключ пере.мснного тока с выходным выводом смежной фазы, где N -- чнсло элементарных ступеней в полуперноде выходного папряжения преобразователя, равное или кратное 21.

-5.5 -7.6

-22 .

-гз

-.« -2S 26 -21

-га -гз

-30 -31

-зг

-л

illlliniMrilMnilllllinnMIIJM f

ПППП ППППППП ППП n ПППГ f

ПППППППППППППППППП j.

nrnr-in П nr-ir-in П П

ni-II-inn П

П Г1 I-II-in П П1-II-in П n Гi-in П П1-ri-inn ni-II-in n П

Bt

innjiMJinnjuuinnr

n

i n

n n

n n n n

птъ

n n

л

JCL

n n n

ri

n

n n n n

n n

n n

JD

n n n

I-tl-inn ni-II-ir

-t t

JCL

-t

n n -t

JTTL

n n t

л

J3. l

n n n n t

n n n -t

n

n

t

n n n n t

n n

n n t

л.

n -t

n n n n t

nn n t

7ff