Способ преобразования постоянного тока в трехфазный переменный Советский патент 1991 года по МПК H02M7/539 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к судовой электроэнергетике, и может быть использовано при создании преобразователей постоянного тока в трехфазный переменный и наоборот для питания различных по назначению электроприемников переменного тока от источника постоянного тока в электроэнергетических системах на специальных морских судах, требующих от электроприемников и преобразователей малошумной работы при ограниченных объемах устанавливаемого оборудования.

Цель изобретения - снижение виброакустической активности электроприемников переменного тока и преобразователей при ограниченном объеме реализующего

способ преобразования необходимого оборудования.

На фиг. 1 и 2 показаны примеры устройства, реализующего способ; на 3 - диаграммы, поясняющие работу устройства.

Способ преобразования постоянного тока в трехфазный переменный заключается в следующем.

Входное постоянное напряжение инвертируют в промежуточное многофазное переменное напряжение. После его трансформирования вторичное многофазное напряжение векторно суммируют в выходное трехфазное напряжение, которое прикладывают к электроприемникам переменного тока.

о о о

Ј

со

Инвертирование входного постоянного напряжения выполняют на ключевых элементах, собранных по многофазной мостовой схеме. Управление ключевыми элементами в устройстве по фиг, 1 осуществляют так, чтобы получить многофазное напряжение в виде временной последовательности чередования друг за другом прямоугольной формы фазных напряжений, сумма которых не равна нулю и сходится в любой момент времени к мгновенному значению входного постоянного напряжения.

Трансформирование промежуточного многофазного напряжения и векторное суммирование его вторичного напряжения в выходное трехфазное напряжение выполняют на предварительно сформированном основном магнитном потоке в следующем порядке,

Предварительно инвертированию входного постоянного напряжения за счет стороннего источника постоянного тока с близким к нулю напряжением создают магнитный поток в форме распределения его значений по косинусоиде вдоль оси, лежащей в плоскости поперечного сечения магнитного контура. В течение заданного циклически повторяющегося периода выходного трехфазного напряжения распределение магнитного потока равномерно продвигают вдоль оси так, чтобы начало косинусоиды достигло конца оси по окончании периода трехфазного напряжения. С магнитным потоком сцепляют по крайней мере четыре электрических контура, к одному из которых прикладывают инвертированное многофазное напряжение, а с трех других снимают выходное трехфазное напряжение.

Формирование основного магнитного потока током стороннего источника выполняют при помощи электрического контура, магнитосвязанного с магнитным контуром так, чтобы при пропускании постоя иного тока вызвать в магнитном контуре пространственно распределенный магнитный поток:

Ф0 К0 locos (10 +Ф )

(1)

где 10 -In-.- ось распределения магнитного потока, рац:

в - начальные условия кривой распределения;

I - натуральная ось длиной L в плоскости поперечного сечения магнитного контура;

Ко - коэффициент связи потокосцепле- ния Ф0 с током 10.

Путем перестроения связей между электрическим и магнитным контурами задают изменение во времени начальных условий:

fl (ik t

(2)

In

где Шо - -у- - скорость изменения начальных условий в в течение заданного периода времени Т выходного трехфазного напряжения.

Электрические контуры многофазного и трехфазного напряжений связывают с магнитным контуром так, чтобы получить наведенные от основного потока потокосцеп- ления взаимоиндукции в виде распределений вдоль оси, на которой выполнено распределение основного магнитного потока. Для электрического контура многофазного напряжения получают потокосцеп- ление

VW Кто lo COS ( 10 + 0 - От ) , (3)

где трто - потокосцепление взаимоиндукции относительно каждой m-фазы многофазного напряжения;

начало кривой распреде

ления потокосцепления для каждой т-фазы из одного числа п чередующихся во времени фаз многофазного напряжения;

Кто - коэффициент связи потокосцепления Фто с током 10 для контура многофазного напряжения.

Для каждого в отдельности из трех электрических контуров трехфазного напряжения получают потокосцепления

1рао Као lo COS ( 1О + $ ) ;

#Ъо Кьо lo cos ( 10 + д - 2 л:/3 ) ; (4) Vco Kco lo cos ( 10 + $ - 4 л:/3 ) ,

где ао Vfe° потокосцепления взаимоиндукции контуров а, Ь, с трехфазного напряжения;

Као Кьо Ксо - коэффициенты связи потокосцеплений с токов 10.

Кроме того, при пропускании токов по электрическим контурам получают потокосцепления самоиндукции. Для электрического контура многофазного напряжения

Vmd Kmd Id COS ( I0 - От ) .(5)

где ipmd потокосцепление самоиндукции относительно m-фазы многофазного напряжения;

Kmd коэффициент связи потокосцеплеИЯ 1/Jmd С ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ Id В КОНТуре

ногофазного напряжения.

Для электрических контуров трехфазноо напряжения

- Ка la COS I ;

Vb Кь 1ь cos (lo - 2 я/3 ); (6) KC lccos (10-4л;/3),

где t/k 1рь Vc потокосцепления самоиндукции контуров, a, b, с с трехфазного напряения;

Ка Кь Кс - коэффициенты связи пото- косцеплений с фазными токами la, Ib, Ic.

В следствие изменений во времени по- окосцеплений взаимоиндукции в электриеских контурах наводятся ЭДС. Как первую производную по времени от потокосцепле- ний получают многофазную ЭДС в контуре многофазного напряжения:

Сто Кто lo Sin ( (о + 0 - вт ) . (7)

В контурах трехфазного напряжения получают трехфазную ЭДС:

еао - Као lo (DO sin (fo + $ ) ;

еьо Kboio sin ( fo + , - 2 7Г/3 ) ; (8)

eco Kco lo sin ( 63 + ф - 4 я/3 ) .

С полученной многофазной ЭДС сравнивают инвертированное многофазное напряжение, а трехфазную ЭДС как выходное трехфазное напряжение прикладывают к электроприемникам переменного тока.

Поставленную цель изобретения достигают путем электромагнитного уравновешивания входного постоянного тока в контуре многофазного напряжения с выходным трехфазным током в контуре трехфазного напряжения.- Электромагнитное равновесие разного рода токов обеспечивают следующим образом.

За счет управления ключевыми элементами в многофазной мостовой схеме подгоняют инвертированное многофазное напряжение к индуктированной от основного магнитного потока многофазной ЭДС так, чтобы на временной диаграмме каждый из чередующихся друг за другом прямоугольников фазных напряжений размещался симметрично по обе стороны от

амплитуды соответствующей ему фазной ЭДС. Причем предварительно выбирают такое общее число п фаз для многофазного напряжения и многофазной ЭДС, при котором за счет малой продолжительности прямоугольников фазных напряжений, мгновенные значения фазных ЭДС на соответствующих временных участках мало отличаются от амплитудных значений В

результате на чередующихся друг за другом временных участках и во времени в целом на стороне постоянного напряжения получают постоянный ток с малыми пульсациями: .,

Ud - е Гакс

то

Rd

(9)

где Ud, Id входные постоянное напряжение

и ток;

макс

emo1 - фазные ЭДС на временных участках в окрестностях их амплитуд;

Rd - приведенное к контуру многофазного напряжения активное сопротивление электроприемников переменного тока,

Протекающий в контуре многофазного напряжения постоянный ток создает пото- косцепление самоиндукции согласно вы- ражению (5). Это потокосцепление уравновешивается потокосцеплением самоиндукции от активной составляющей выходного трехфазного тока.

После подстановки в выражение (6) значений трехфазного тока

la 1максС05 ( #, );

1ь 1макссо8(3-р-2я/3): (10)

Ic макс COS ( fy - р 4 7Г/3 ) ,

где Laicc - амплитуда трехфазного тока;.

(р - угол, характеризующий соотношение активной и реактивной составляющих в трехфазном токе,

и последующего суммирования фазных значений получают результирующее потокосцепление самоиндукции от трехфазного тока

3

Vb.b.c |KalMaKcCOs(t0- ) (11)

или после разложения по формуле косинуса двух углов в виде двух составляющих:

% . b , с V d - V;q

(12)

где 1/ d - 2 Ка макс COS ( L $ ) COS f) - ПОтокосцепление от активной составляющей трехфазного тока;(13)

Vq 2 Ка макс Sin ( 1$9 ) Sin Ј - ПОТОкосцепление от реактивной составляющей трехфазного тока(14)

Сопоставление выражения (5) для пото- косцепления от входного постоянного тока с выражением (13) для потокосцепления от активной составляющей трехфазного тока показывает, что для их уравновешивания необходимым условием являются равенства:

Kmd d 2 Ка макс COS р;(15)

.(16)

Выполнениие равенства (15) обеспечивают путем регулирования величины шомакс в выражении (9) для входного постоянного тока Id. Регулирование 1томакс осуществляют за счет изменения величины тока lo от стороннего источника в электрическом контуре формирования основного магнитного потока согласно выражению (1). Второе равенство (16) поддерживают в допустимых пределах отклонений 9т от текущих значений 9 за счет выбора общего числа фаз для многофазного напряжения и многофазной ЭДС. При этом погрешность, деленная на обе стороны от амплитуд чередующихся фазных ЭДС, не превышает значения:

Устройство для преобразования постоянного тока в трехфазный переменный содержит трансформатор 1, подключенный через многофазный инвертор2 входного постоянного напряжения к основному источнику 3 постоянного тока и через тиристорный переключатель 4 к стороннему источнику 5 постоянного тока с близким к нулю напряжением.

Трансформатор 1 выполнен на тороидальном ленточном сердечнике магнито- провода с одной первичной обмоткой 6 и тремя вторичными обмотками 7-9. Сердечник имеет, в частности, тридцать шесть отверстий, разделяющий равноотстоящие стержни магнитопровода. Каждая обмотка 6-9 состоит из двух параллельно соединенных катушек, уложенных на диаметрально противоположных сторонах сердечника магнитопровода. Катушки обмоток 6-9 образованы путем намотки вокруг стержней

сердечника, каждая катушка состоит из восемнадцати элементарных витков, каждый виток охватывает пятнадцать стержней, каждый последующий виток сдвинут на

один стержень в сторону намотки, последний виток одной катушки соединен с первым витком второй катушки, и наоборот,

Первичная обмотка 6 снабжена отпайками от витков одной и другой ее катушек,

которые присоединены к выходам инвертора 2 и переключателя 4. Вторичные обмотки 7-9 являются обмотками трехфазного тока, соединенные в звезду и подключены к электроприемникам трехфазного тока (не показан). Вторичная обмотка 7 выполнена аналогично первичной обмотке 6 за исключением отпаек. Вторичная обмотка 8 выполнена аналогично обмотке 7 и относительно нее размещена со сдвигом в сторону намотки на двенадцать стержней сердечника маг- нитопровода. Вторичная обмотка 9 выполнена аналогично обмотке 8 со сдвигом относительно нее также на двенадцать стержней сердечника магнитопровода.

Инвертор 2 напряжения выполнен на тиристорах по мостовой, в частности, трид- цатишестифазной схеме. Первые восемнадцать фаз инвертора 2 подключены к отпайкам одной катушки обмотки 6, а вторые - к отпайкам ее другой катушки. Инвертор 2 предусмотрен с углом проводимости 10 эл.град, для каждого плеча его моста.

Переключатель 4 выполнен на тиристорах с принудительной емкостной коммутацией также и тридцатишестифазной мостовой схеме с углом проводимости каждого плеча моста 10 эл.град.

Устройство для преобразования постоянного тока в трехфазный переменный работает следующим образом.

Предварительно через переключатель 4 подключают источник 5 к начальной паре отпаек первичной обмотки 6 и формируют приближенное к косинусоидальному распределение основного потока по стержням магнитопровода трансформатора 1. Начальный ток источника делится по параллельно соединенным катушкам обмотки 6, каждая из которых создает однонаправленные составляющие, дающие в сумме результирующее распределение потока Ф0.

Переключением отпаек обмотки 6 при помощи переключателя 4 вызывает движение распределения потока Ф0 вдоль оси

распределения I.

В силу электромагнитной инерции движение распределения потока Фо на участках между переключениями отпаек обмотки 6 приобретает плавный характер. Частоту

переключения задают пропорционально числу отпаек и частоте выходного трехфазного напряжения.

Движущееся распределение основного потока Фо наводит многофазную ЭДС в первичной обмотке 6 и трехфазную ЭДС во вторичных обмотках 7-9 трансформатора 1. Многофазная ЭДС уравновешивает инвертированное многофазное напряжение на выходе инвертора напряжения 2. Трехфаз- ная ЭДС создает в цепях электроприемников трехфазный ток.

Потокосцепление от протекающего по вторичным обмоткам 7-9 трехфазного тока уравновешивается двумя слагаемыми пото- косцеплениями первичной обмотки 6. Первое слагаемое потокосцепления обмотки 6 от тока основного источника 3 уравновешивает потокосцепление, создаваемое активной составляющей трехфазного тока обмоток 7-9, второе слагаемое от тока сто- р.оннего источника 5 - создаваемое реактивной составляющей того же тока электроприемников.

Электромагнитное уравновешивание входного постоянного тока с выходным трехфазным током электроприемников переменного тока при помощи формирования основного магнитного потока за счет стороннего источника постоянного тока с близ- ким к нулю напряжением позволяет обеспечить качество электроэнергии по обе

стороны преобразователя и тем достшнуть снижения виброакустической активности электроприемников переменного тока, а также реализующего способ преобразования оборудования.

Формула изобретения Способ преобразования постоянного тока в трехфазный переменный путем инвертирования исходного постоянного напряжения в промежуточное многофазное переменное напряжение прямоугольной формы, трансформировании этого напряжения на основном многофазном магнитном потоке, векторном суммировании трансформированного многофазного напряжения в трехфазное напряжение, отличающийся тем, что, с целью снижения виброакустической активности электроприемников преобразованного тока, перед инвертированием и трансформированием напряжений оновной многофазный магнитный поток создают в форме распределения по косинусоиде вдоль оси, лежащей в плоскости поперечного сечения контура магнитного потока, и в течение заданного циклически повторяющегося периода трехфазного напряжения распределение магнитного потока равномерно продвигают вдоль оси так, чтобы начало косинусоиды достигло конца оси по окончании периода трехфазного напряжения.

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники. Его целью является снижение виброакустической активности электроприемников преобразованного тока. Способ заключается в преобразовании постоянного тока в трехфазный переменный путем инвертирования исходного постоянного напряжения в промежуточное многофазное переменное напряжение прямоугольной формы, трансформировании этого напряжения на основном магнитном потоке и векторном суммировании трансформированного многофазного напряжения в трехфазное напряжение. Цель достигается тем, что перед инвертированием и трансформированием напряжений основной многофазный магнитный поток создают в форме распределения по косинусоиде вдоль оси, лежащей в плоскости поперечного сечения контура магнитного потока, и в течение заданного циклически повторяющегося периода трехфазного напряжения распределение магнитного потока равномерно продвигают вдоль оси так, чтобы начало косинусоиды достигло конца оси по окончании периода трехфазного напряжения, 3 ил. со с

Фиг. /

Риг 2

.д