Автономный инвертор напряжения Советский патент 1988 года по МПК H02M7/521 

4

О СО

со

о

СП

Го

фт/г. 1

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано нри построении источников вторичного электропитания централизованного тина, включая многофазные преобразова- тел и.

Цель изобретения - улучн ение энергетических и массогабаритпых показателей.

На фиг. 1представлен трехфазнЕзШ

преобразователь, включающий в себя П1есть автономных инверторов напряжения; на фиг. 2 - однофазный мостовой инвертор; на фиг. 3 - второй введенный выпрямитель; на фиг. 4 - первый выпря.мите.чь; па фиг. 5 - внешние характеристики.

Автономный инвертор напряжения (фиг. 1) содержит основной источник питания, вынолненный, например, в виде силового выпрямителя 1 и фил1:1тра постоянного тока 2.

При этом силовой выпрямитель 1 ос- повног О источника питания входом подключен ко входной сети А, В, С с частотой F.

С вы.хода фильтра 2 нанряжепие Е подводится к параллельно включенным входами однофазным мостовым регулируемым инверторам напряжения 3-8 с выходными трансформаторами 9--14, вторичные обмотки 15 и 16 которых, пан1)имер, соединены указанным на фиг. I образом для формирования фазного напряжения фазы С с частотой f. В каждую фазу включепы дроссели 17--19, а между каждой фазой и нуле.м включены конденсаторы 20-22, обра- зуюпхие с дросселями 17-19 выходпой Г-об- разный LC-фильтр. Параллельно обмотке каждогч) из дросселей 17-19 включены первичные обмотки 26-28 идентичных трансформаторов напряжения 29-31, вторичные обмотки 32-34 которых подключены ко входу второго выпрямителя 35, а положительным выводом последний соединен с отрицательным выводо.м первого выпрямителя 36, который входом подключен, например, ко входной сети преобразователя. Положительный вывод первого выпрямителя 36 через ограничивающий дроссель 37 и отрицательный вывод второго выпрямителя 35 подсоединены к параллельно включеппым шинам подзаряда коммутирующих конденсаторов однофазных мостовых инверторов 3-8. Между положительным выводом выпрямителя 36 , и отрицательным выводом выпрямителя 35 включен накопительный конденсатор 38.

Таким образом, последовательно включенные выпрямители 35 и 36, трансфор.ма- торы напряжения 29 - 31, ограничивающий дроссель 37 и накопительный конденсатор 38 совместно образуют общую цепь подзаряда коммутирующих конденсаторов однофазных мостовых инверторов 3-8.

Каждый из инверторов напряжения 3-8 выполнен по известной однофазной мостовой схеме (фиг. 2).

В предлагаемой схеме находятся щины подзаряда -bUc и -U, коммутирующих конденсаторов.

Введенный второй выпрямитель 35

(фиг. 3) с напряжением U2 на выходе представляет собой трехфазный диодный мостовой выпрямитель, входом нодключенный ко вторичным обмоткам 32-34 трансформаторов напряжения 29--31 на (фиг. 1). Положительным выводом ( + ) он соединен с от рицательным выводом первого выпрямителя 36, а отрицательным выводом (-) подключен к отрицательному выводу конденсатора 38 и к минусовы.м тинам подзаряда конденсаторов инверторов 3-8.

Первый выпрямитель 36 (фиг. 4) представляет собой любой автономный источник и в данном случае включает в себя согла- суюпшй трехфазный трансформатор, первичными обмотками подк, 1юченный ко входной сети частотой F (фиг. 1), а вторичными

0 обмотками -- ко входу выпрямите.чя 36 с напряжением Ц на выходе.

На фиг. 5 изображены внешние характеристики источников питания, где t - внешняя характеристика первого выпря мителя U, 2 - впешняя характеристика второго выпрямителя J f/I/; 3 - вне1ппяя характеристика цени подзаряда коммутирующих конденсаторов Uf f/I/; 4 - - внешняя характеристика Основного силовог о источника

Q питания Е f/1/; L-in - начальное выпрямленное напряже1 ие на выходе riepBoi o выпрямителя при холостом ходе преобразователя частоты /В/; -- пачальное выпрямленное напряжение па выходе второго выпрямителя при холостом ходе преобразо5 вателя частоты /В/; LJco -- пачальное выпрямленное напряжение источника заряда коммутирующих конденсаторов /В/; In - номинальное значение тока нагрузки преобразователя частоты /А/; Е«ак1 - наибольшее донуетимое значение выпрямленного напря0 жения основного источника питания при холостом ходе преобразователя /В/; Емин - наименьшее значение выпрямленного на- пряжепия основного источника питания при пормируемой перегрузке (папример, 21н)

5 преобразователя частоты /В/; Ен - номинальное значение выпрямленного напряжения основного источника питания при номинальном токе нагрузки преобразователя частоты /В/; UCH - номинальное напря- жепие источника заряда коммутирующих

0 конденсаторов при номинальном токе наг руз- ки преобразователя частоты /В/; Ui, UL; - текущие значения вынрямленного напряжения первого и второго выпрямителей /В/.

Автономный инвертор напряжепия рабо5 тает следующим образом.

Входное напряжение частоты F преобразуется нерегулируемым силовым выпрямителем в выпрямленное напряжение. Вы фямитель I может оыть выполнен HO.INуправляемым с целью обеспечения защиты преобразователя по управляюп 1ему электроду.

Выпрямленное напряжение фильтруется фильтром 2 постоянного тока и в виде напряжения Е основного источника питания поступает на параллельно включенные входами шесть однофазных инверторов 3-8. Инверторы 3-5 и 6-8 имеют временной сдвиг в работе между собой в 120 эл. град., а инверторы 6-8 соответственно относительно инверторов 3-5 в работе сдвинуты на 60 эл. град.

Таким образом, квазисипусоидальное фазное выходное напряжение (например, фазы С) формируется из геометрически складываемых напряжений вторичных обмоток 15 и 16 выходных трансформаторов 11 и 14, имеющих временной сдвиг между со.бой в 60 э:1 град. Аналогично формируются фазные напряжения других фаз. Для получения практически синусоидальной кривой выходного напряжения с частотой f в фазные провода включены дроссели 17-19, а .между каждой фазой и нулем включены конденсаторы 20-22, образующие совместно выходной Г-образный пассивный LC-фильтр.

Для ограничения перенапряжений в цепях нагрузки преобразователя и на первичных обмотках 26-28 трансформаторов 29-31 напряжения параллельно обмотке каждого из дросселей 17-19 включены идентичные цепи, состоящие из встречно ченных через резистор 23 пороговых элементов 24 и 25 (практическая схема приведена на фиг. 6). Вторичные обмотки 32- 34 трансформаторов 29-31 напряжения соединены в треугольник и подключены ко входу второго выпрямителя 35. Выпрямленное напряжение второго выпрямителя 35 прямо пропорционально зависит от полного фазного тока (1), где 1н - полный ток нагрузки преобразователя; U - полный ток выходного фильтра. Таким образом, при нагрузке на выходе преобразователя падение па- пряжения U26 на обмотке дросселя 17 пропорционально полному току нагрузки преобразователя и равно

,7(I),

где Li7 - индуктивность дросселя 17;

f - частота напряжения на выходе преобразователя.

Линейное напряжение Ы.зз на вторичной обмотке 32 трансформатора 29 напряжения равно

т/1

где К- - коэффициент трансформации трансформатора 29.

В связи с тем, что вторичные обмотки 32-34 трансформаторов 29-31 соединены в треугольник, выпрямленное напряжение U2 на выходе неуправляемого второго выпрямителя 35 равно

и., 1 ,.35 и.,, --. Зьи г. 2,7лГ1|7(Ь)

КтKT

При Heii3MenHoii индуктивности LI: и (рик- сироваппой частоте 1, постоянной емкости 20- 22 фильтра 1с const. При стабилизированном напряжении па выходе преобразователя напряжение , что выражается впеп1пей характеристикой 2 на фиг. 5 (внешняя характеристика второго источника), где - начальное выпрямленное напряжение на выходе второго выпрямителя 35 при хо.лостом ходе преоб- разовате.1Я.

Первый выпрямитель 36 подключен ко входной сети с частотой F линейным па- жением U , тогда выпрямленное нанряже- ние Ui на выходе нерегулируемого перво5 го выпрямителя 36 равно:

и, К35 UAB

Кт

где KT - коэффициент трансформации трансформатора 1 па фиг. 4. Значение напряжения 1..,о при хо,мостом

ходе преобразователя частоты выбирается из условия обеспечения устойчивой коммутации инверторов 3-8. При поеледовательном соединении выпрямителей 35 и 36 начальное напряжение Uco заряда коммутирующих конденсаторов выбрано таким образом, чтобы при холостом ходе, нанример.

и со U|o -|- Lj20

с. макс

5

где Ev.-.Ki- - наибольшее допустимое значе- 0 ние выпрямленного напряжения основного источника питания -- силового выпрямителя 1 при холостом ходе преобразователя частоты; LJ .o - начальное выпрямленное напряжение источника заряда коммутируемых конденсаторов, образованного по- 5 следовательным соед11нением первого и второго выпрямителей 35 и 36 при холостом ходе преобразовате. 1Я частоты.

При нормируемой перегрузке (например, двойной) наиряжение источника заряда

.. и,- Емакс.

Внешние характеристики первого выпрямителя 36 Ui f(l), второго выпрямителя 35 LJs f( 1), источника заряда U,- f(I) и силового выпрямителя 1 (основного источника пмтания) приведены на фиг. 5,

5 соответственно прямые 1-4. Выход источпи- ка заряда щуптпровап паконительным конденсатором 38, величиной емкости на порядок выше половины емкости коммути- рующи.х кондепсаторов одного инвертора 3-8. Паконительный конденсатор 38 обес0 нечивает сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения U,- и дозаряжаст коммутирующие конденсаторы при коммутации ключевых элементов.

Дроссель 37 ограничивает зарядный ток групп 31-38 кoммyтиpyюнj.иx конденсаторов

и ограничивает при коротком замыкании в инверторах 3-8 провал напряжения U- источника заряда при ограниченной ти вынрямите.1ей 35 и 36.

Суммарная мо.щность выпрямителей 35 и 36 должна быть больше коммутацион- потерь мощности в инверторах 3-8 с учетом частоты коммутации и КПД выпрямителей 35 и 36.

Для рассматриваемого преобразователя частоты частота коммутаций составляет

Nfc 6nk-f 24f,

где Nfc - частота коммутаций преобразователя частоты за 1 с;

Rfc - частота коммутаций однофазного регулируемого мостового инвертора за период частоты f выходного напряжения, nk 4 (фиг. 2); 6 - количество инверторов 3-8

(фиг. 1).

Такая же частота пульсаций напряжения и, источника заряда от возвращаемой ;энергии при коммутации ключевых элемен- :тов инверторов. Напряжение Uc источника Июдзаряда подводится к положительным и (ггрицате:1ьным цщнам подзаряда конденса- JTopOB инверторов 3-8, причем его внешняя характеристика соответствует прямой 3 на :фиг. 5 (внеп1няя характеристика последо- |вательно соединенных двух выпрямителей заряда коммутирующих конденсаторов). : Технико-экономические преимущества пред;1агаемого устройства по сравнению с известным заключаются в следующем. Предлагаемое устройство имеет источник заряда конденсаторов, однако последний не позволяет регулировать уровень его напряжения пропорционально нагрузке инвертора и, тем самым, обеспечивать снижение ком.мутациоп- ных потерь в инверторе особенно при его нагрузках менее номинальной, что ведет к не- : производительным потерям энергии. Ввиду то- : го, что известпое устройство не позволяет регулировать уровень напряжения источника |заряда конденсаторов пропорционально на- 1 грузке инверторов, для его реализации не- и)бходимо было бы ввести такое устройство ; (например, на базе трансформаторов тока, чжлючепных в фазные провода на выходе инвертора), что -увеличило бы его весо- габаритные показатели. В предлагаемом устройстве источник, заряда коммутирующих копденсаторов состоит из двух последовательно соединенных нерегулируемого первого выпрямителя и регулируемого пеуправляе.мо- го второго выпрямителя, причем первый выпрямитель подключен входом к входной сети преобразователя.

CooTHonienne нанряжений Li нервого ис- точйика подзаряда и последовательно включенного с ним второго папряжепия введенного В1 1прямителя выбирают из выражения

-ти,

выпрямленное напряжение на oo i)e- диненном выходе источника заряда в точке подключения к клеммам инвертора ячейки 3 -8;

Ui - постоянное напряжение на выходе существующего источника заряда (нерегулируемая часть напряжения источника заряда);

- регулируемая часть напряжения цепи подзаряда;

1 - полный фазный ток на выходе преобразователя;

К - коэффициент пропорциональности, зависящий от схемы выпрямления,

величины индуктивности индуктивного элемента фильтра, коэффициента трансформации введенного трансформатора и частоты выходного напряжения: который изме- няется практически в пределах

0,001....

ту определяет начальное напряжение (в отн. ед.) от первого выпря.мителя на коммутирующих конденсаторах при холостом ходе преобразователя, а определяет доба- вочную величину напряжения (в отн. ед.) на конденсаторах от второго выпрямителя, пропорциональное полному току нагрузки преобразователя. Полный ток состоит из е.м- костного тока, LC-фильтра и тока нагрузки преобразователя. Полный ток, протекая через дроссель 17-19, вызывает на них падение напряжения, которое, трансформируясь трансформаторами напряжения 29-i31 во вторичные обмотки 32- -34 необходимого уровня, поступает на вход второго выпрямителя 35, выходное напряжение U2 которого, складываясь последовательно с напряжением первого выпрямителя, определяет внещнюю .характеристику 3 (фиг. 5) источника подзаряда в зависимости от полного тока па выходе преобразователя.

Автоматический подзаряд коммутирующих конденсаторов организован так, что в области малых нагрузок инвертора коммутационные потери энергии также относитель- но небольшие, что обеспечивает снижение потерь энергии.

Формула изобретения

1. Автономный инвертор напряжения по авт. св. № 1312708, отличающийся тем, что, с целью улучп ения энергетических и мас- согабаритных показателей, он снабжен выходным LC-фильтром и трансформатором напряжения, первичная обмотка которого подключена параллельно дросселю LC-фильтра, а вторичная его обмотка подключена к входу введенного диодного выпря.мителя, выход которого с напряжением L 2 К-In включен cor:iacHO последовательно с источником подзаряда коммутирующих конденса- Topoji, причем отношение этих напряжений задают в соответствии с выражением:

К- ЬЦс

и, - и,

результирующее напряжение под- заряда коммутирующих конденсаторов;

выходной фазный ток инвертора;

коэффициент пропорциональности, зависящий от схемы выпрямления, величины индуктивности дросселя LC-фильтра, коэффициента трансформации введенного трансформаторажеиия.

b i напряжещ е 2. Инвертор но тем, что, с це, 1ыо пальмой на дельности,

мутирующих конденсаторов НОДК,:1К)ЧОН)1 к

указанной цени подзаряда через введенный второй LiCj-фильгр.

и частоты выходного нанряисточника нодзаряда. п. 1, оглпчаюи(и(1ся повышения функцно- шины подзаряда ком

Изобретение относится к преобразовательной технике и .м.б. использовано при построении источников вторичного электропитания централизованного типа. Целью 13обретения является улуч1иение энергети- чески.х и массогабаритных показателе11. Устр-во содержит в тре.хфазпом варианте шесть инверторов 3-8 с выходными трансформаторами 9-14. Ко вторичным обмоткам 15, 16 трансформаторов подключены дроссели 17-19 и конденсаторы 20--22. ila- раллельно дросселям 17 19 подключены первичные обмотки 26 - 28 трансформаторов напряжения 29 - 31. Вторичные обмотки 32- 34 через выпрямите. 1Ь 35 соедипены с источником подза.ряда коммутирующих кондеп- саторов с напряжением U|. Уровень напряжения источника подзаряда регулируется пронорциона.чьно пагрузке. 1 з.н. ф-лы, 5 ил.

-наг

-м нонс

///

фиг 5

i