Последовательный инвертор Советский патент 1993 года по МПК H02M7/515 

112

Изобретение касается преобразования постоянного тока в переменный регулируемой частоты и амплитуды с различным числом фаз с помощью тиристор- ных инверторов с последовательной коммутацией и может быть испойьзова но для регулирования скорости электродвигателей переменного тока и для систем электропитания с частотой и количеством фаз, отличным от промышленной сети.

Известен последовательный инвер- тор СП, содержащий четьфе LG-конту- ра с тиристорами, связанные через

диоды с источником питания, и четыре ключевых элемента в цепи нагрузки. Недостатками этого инвертора являются сложность устройства и невозможность регулирования выходного напряжения, кроме того, нагрузка инвертора должна быть индуктивного характера.

Известен также последовательный инвертор С 2, содержащий первую и вторую ячейки, в каждой из которых к соответствующей шине питания под- гслючен конденсатор, параллельно которому включены последовательно соединенные первая катушка индуктивности и тиристор, к которому подключены два разнополярно вюпоченных диода - первый диод, включенный встречно с тиристором,, соединен с другой ишной питания непосредственно, второй диод включен согласно с тиристором и последовательно со второй катушкой индуктивности - трансформатор и блок ошротно-импульсного управления тиристорами-. Инвертор устойчив- во вс-ем диапазоне изменения сопротивления нагрузки от бесконечности до нулевого значения; выходной параметр регулируется широтно-импул ьсньм методом.

Недостатки .этого инвертора - невозможность получения переменного напряжения (тока) с частотой, ниже, чем собственная частота инвертирования; неблагоприятные габаритно-весовые показатели при исполнении на низкие рабочее частоты.

Наиболее близким к изобретению является последовательный инвертор{3 который содержит первую и вторую ячейки, группу параллельных ветвей, многофазный выпрямительный мост и блок широтно-импульсного управления тиристорами; каждая ячейка состоит .

,

0

5

35

40

45

50

55

из конденсатора, подключенного к со,- ответствующей шине питания, параллельно которому включены соединенные последовательно первый дроссель и тиристор, и через диод, включенный встречно с тиристором, соединена с противоположной шиной питания, а между собой ячейки соединены через группу параллельных ветвей, состоящих, каждая, из последоваТ12льно соединенных второго дросселя и зашунтирован- ных тиристором второго диода и пер-г вичной обмотки трансфсзрматора, многофазный выпрямительный мост- подключен выходом встречно к шинам источ- кика питания инвертора последовательно с каждым диодом моста вкл10че на вторичная обмотка одного из трансформаторов, к каждому диоду моста и вторичной обмотке трансформатора параллельно подключен конденсаторs, а входные зажимы моста подключены к выходным зажимам иьюертора. Данный инвертор позволяет получить на его выходе переменное напряжение регулируемой частоты и амплитуды с различным числом фаз.

Недостатком указанного инвертора являются сравнительно небольшая выходная, мощности и сложность конструкции, связанные с Нсшичием большого числа параллельных ветвей разрядного контура, в каждой из которых . протекает лишь малая часть разрядного тока инвертора.

Цель изобретения - упрощение за счет уменьшения числа параллельных ветвей, при одновременном ув еличении мощности d

Цель достигается тем, что в последовательном инверторе, содержащем первую и вторую ячейки, каждая из которых подключена к одному соответствующему выходу источника питания непосредственно, а к другому - через обратный диод и состоит из последовательно соединенных первого дросселя . и тиристора, зашунтироватшых конденсатором, причем точки соединения ячеек с o6paTfib MH диодами соединены между собой через группу параллельных ветвей, состоящих каждая, из последовательно соединенных второго дросселя, подключенного к перв.ой ячейке, и зашунтированных вспомогательным тиристором второго диоца и первичной обмотки трансформатора, дополнительные цепочки, состоя1диеэ каждая, из

последовательно соединенных диода и первичной обмотки другого трансформатора, зашунтированных тиристором,многофазный выпрямительный мост, подключенный встречно к выводам источнн- ка питания, причем его выводы переменного тока соединены с выходными выводами, а каждое плечо состоит из последовательно соединенных диода и вторичной обмотки одного из указанных трансформаторов, зашунтированных конденсатором, а также блок широтно- импульсного управления тиристорами, последовательно с каждой из параллельных ветвей включена указанная соответствующая дополнительная цепочка.

Таким образом, благодаря тому, что в каждой параллельной ветви первичные обмотки трансформаторов совместно со вторыми диодами и- тиристорами соединены попарно-последовательно, и один зажим каждой ветви подключен ко второй катушке индуктивности.

соединениой с первичной ячейкой, а второй зажим каждой ветви - ко второй ячейке, ток в каждой параллельной -ветви и соответственно в каждой первичной.обмотке трансформатора увеличивается вдвое, что приводит к увеличению выходной мощности устройства вдвое, при этом устройство значительно упрощается, так как число параллельных ветвей уменьшилось вдвое

На фиг. 1 изображена схема трехфазного последовательного инвертора; на фиг. 2 - схема однофазного последовательного инвертора;на фиг, 3 а, б, в, г, д, е - диаграммы напряжений и токов В различных точках схемы инвертора; на фиг. 4 а, б, в - диаграммы токов i и напряже1Шй U в различных точках схемы многофазного выпрямительного моста.

Последовательный инвертор содержит ячейки 1 и 2, каждая из которых

состоит из конденсатора 3, подключенного соответственно к положительному 4 и отрицательному 5 выводам источника питания, параллельно которому включены соединенные последовательно первый дроссель 6 и тиристор 7 и через встречные диоды 8, 9 соединены с соответствующим выводом источника, между собой ячейки 1 и 2 соединены через три параллельные ветви 10, 11, 12, состоящие, каждая, из последовательно соединенных второго дросселя 13 и зашунтированкых

fO

5

15

20

.

27974

вспомогательными тиристорами 14 и 15 вторых диодов 1б и 17 и первичных обмоток 18-22, 23 трансформаторов; многофазный выпрямительный мост 24, подключенных выходом встречно к выводам 4 и 5 источника питания инвертора, каждое плечо моста содержит вторичную обмотку 25, 26, 27, 28, 29 или 30, включенную последовательно с каждым диодом 31, 32, 33, 34, 35 или 36 моста 24, к каждому диоду 31-36 моста и вторичной обмотке 25-30 трансформатора параллельно подключен конденсатор 37, 38, 39, 40, 41 или 42, а выводы переменного тока 43, 44, 45 моста подключены к выходным выво - дам 46, 47, 48 инвертора; и блок 49 широтно-импульсного упяавления тиристорами 7, 14, 15, Буквами а-т показано соединение первичных обмоток 18- 23 с цепями параллельных ветвей 10, 11,12,

Инвертор работает следующим образом.

Перед пуском инвертора конденсаторы 3 в ячейках I и 2 заряжены от источника питания до напряжения на его выводах, например, за счет токов утечки диодов 8 и 9 (если эти токи много больше токов утечки тиристоров 7 в ячейках 1 и 2). Конденсаторы 37-42 заряжены до напряжения, равного половине напряжения источника. Напряжения на выходных выводах 46, 47, 48 инвертора равны нулю,

В момент времени t, (фиг, 3.а,б) импульсами запуска, поступающими из блока 49 управления (фиг. 1) одновременно включаются тиристоры 7 в ячейках 1 и 2 и происходит перезаряд конденсаторов 3 через тиристоры 7 и дроссели 6. Колебательные контуры, образованные указанными конденсаторами 3 и дросселями 6, имеют высокую добротность и собственную частоту, в несколько раз большую рабочей час- . тоты инвертора, поэтому к концу первого полупериода перезаряда (момент

25

30

35

40

45

времени tj на фиг. За) конденсаторы 3 оказываются заряжены до первоначальной величины напряжения, но противоположного знака. За отрезок времени t, t,j, - t, в контурах инвертора (фиг. 1) протекает импульс тока синусоидальной формы, показанной на фиг. 3 в, г. В момент времени t (фиг. За) ток в контурах спадает до нуля, тиристоры 7 (фиг. 1) выключаются, и начинается обратный перезаряд конденсаторов 3 по цепи источник пи-i ,тания, конденсатор 3 ячейки I, парал-1 лельные ветви 10, 11, 2 (вторые дроссели 13, диоды 16 и 17, первич- 5 ные обмотки 19-24 трансформаторов), конденсатор 3 ячейки 2 - синуьоидаль- ным импульсом тока (фиг. 3 г, д) дли12827976

В момент времени 1 {фиг. З.а) напряжение на конденсаторах 3 (фиг.-) и на тиристорах 7 становится равным нулю. В течение промежутка времени .-t

тельностью

Ч tn (фиг. За)

fO

причем в зависимости от текущей фазы выходного напряжения инвертора один из тиристоров 1А или 15 (фиг. ) в каждой параллельной ветви 10, 11, 12 включаются импульсат, поступающими из блока 49 управления в момент вре- меки tg (фиг. За), шунтируя соответствующие из первичных обмоток 18-23 трансформаторов. Импульсы включения на оставшиеся невключенными тиристоры 15 или 14 параллельных ветвей 10, И, 12 выдаются блоком 49 управления с задержкой относительно момента вре- меЯи tj (фиг. За) в момент времени tj (фиг. Зе); при этом указанные тиристоры 15 или 14 шунтируют соответствующие из первичных обмоток 18-23 трансформаторов, так что ток в по- . следних протекает только в течение промежутка времени з t - t (фиг. Зе). Изменением длительности г от Гд О до 1э осуществляется пшротно-импульсное регулирование токов в первичных обмотках 18-23 (фиг. 1) и соответстьенно во вторичных обмотках 25-30 трансформаторов.

J v (фиг. Зб) к тиристорам 7 приложено обратное напряжение, это - время, представляемое для восстановления запирающих свойств тиристоров 7 Затем конденсаторы 3 начинают заряжаться напряжением первоначальной полярности. К моменту, когда напряжение на конденсаторах 3 достигает величины напряжения источника питания, во вторых дросселях 13, входящих в параллельные ветви 10, II, 12, еще имеется некоторая избыточная реактивная знергия, которая возвращается в источник питания по цепи дроссели 13, тиристоры 14 или 15 (либо диоды 16 или 17 и первичные обмотки 18-23 трансформаторов) диоды 8 и 9. В момент времени t (фиг. За) токи в цепях инвертора прекращаются и схема возвращается в исходное состояние.На фиг. 4 а, б в представлены диаграммы токов во вторич1йр1х обмотках 25 и 28, находящихся в накрест лежащих плечах моста 18, и выходное напряжение (фиг. 4в) - между двумя из выходных зажимов 46 и 47 инвертора.

Работа однофазного инвертора (фиг. 2) происходит ан,алогично описанному вьшзе. Его схема отличается .только наличием всего двух трансфор- 35 маторов, имеющих по одной первичной обмотке 19, 21 и по две вторичные 25, 26 или 27, 28, включен1ше в противолежащие плечи выпрямительного моста 24.

20

25

30

Поскольку тиристоры 14 и 15 управляются независимо друг от друга, изменением длительности Т протекания тока в обмотках отдельных трансформаторов вызывается разбаланс напряжений на конденсаторах 34- 42. Например, если в вети 9 тиристор 14, а в ветви 10 тиристор 15 будут включены раньше соответствующих тиристоров 15 и 14, то в первичных обмотках 19 и 22 ток будет отсутствовать, и напряжение на конденсаторах 38 и 39 увеличится, а на конденсаторах З и 40 - уменьшится. При этом между выходными выводами 46, 47 и 48 инвертора появляются напряжения, величину и закон изменения которых можно регулировать изменением момента включения каждого из тиристоров 14 и 15 отдельно.

В момент времени 1 {фиг. З.а) напряжение на конденсаторах 3 (фиг.-) и на тиристорах 7 становится равным нулю. В течение промежутка времени .-t

J v (фиг. Зб) к тиристорам 7 приложено обратное напряжение, это - время, представляемое для восстановления запирающих свойств тиристоров 7 , Затем конденсаторы 3 начинают заряжаться напряжением первоначальной полярности. К моменту, когда напряжение на конденсаторах 3 достигает величины напряжения источника питания, во вторых дросселях 13, входящих в параллельные ветви 10, II, 12, еще имеется некоторая избыточная реактивная знергия, которая возвращается в источник питания по цепи дроссели 13, тиристоры 14 или 15 (либо диоды 16 или 17 и первичные обмотки 18-23 трансформаторов) диоды 8 и 9. В момент времени t (фиг. За) токи в цепях инвертора прекращаются и схема возвращается в исходное состояние.На фиг. 4 а, б в представлены диаграммы токов во вторич1йр1х обмотках 25 и 28, находящихся в накрест лежащих плечах моста 18, и выходное напряжение (фиг. 4в) - между двумя из выходных зажимов 46 и 47 инвертора.

Работа однофазного инвертора (фиг. 2) происходит ан,алогично описанному вьшзе. Его схема отличается .только наличием всего двух трансфор- 5 маторов, имеющих по одной первичной обмотке 19, 21 и по две вторичные 25, 26 или 27, 28, включен1ше в противолежащие плечи выпрямительного моста 24.

При большом отношении частоты инвертирования и выходной частоты устройства (как правило это отношение

0

5

0

0

составляет примерно 2 порядка) инвертор позволяе-т получить выходное

синусоидальное напряжение с достаточно малыми пульсациями с частотой инвертирования на выходе.. Инвертор имеет высокую надежность и долговечность; коэффициент мощности со стороны питающей сети равен 1, КПД равен 0,9 (при мощности инвертора 5- 15 кВт). Инвертор прост по устройству и в эксплуатации и представляет возможность раздельного регулирова- ния частоты напряжения, фазового

сдвига напряжений отдельных фаз и порядка следования фаз.

S

7 в

: -1

a

3

ijf

IJ7

es

e

iJJ J9

17

/

7M т

r 4lV

S

F/JU

n.

5

S ir.:ia

i jru Д

«4

5

tt7

2у

-о

инЛ

fi

tirljp

4

щ

л

; «/

« /ТУ

9