Преобразователь Советский патент 1993 года по МПК H02M7/48 

ел

С

Использование: при построении трехфазных преобразователей повышенной мощности с уменьшенными искажениями выходного напряжения. Сущность изобретения поясняется на примере трехфазного инвертора, выполненного в виде двух трехфазных мостов, нагруженных на первичные обмотки трехфазных трансформаторов. Вторичные обмотки каждого трансформатора выполнены в виде двух комплектов, причем эти комплекты в одном трансформаторе соединены по схеме прямой зигзаг, а в другом трансформаторе - по схеме обратный зигзаг. Соединенные таким образом вторичные обмотки трансформаторов соединены пофазно последовательно по схеме звезда. 1 з.п. ф-лы, 8 ил. 1 табл.

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике, к обратимым преобразовательным устройствам со звеном постоянного тока, выполненным на основе двух или нескольких трехфазных инверторов напряжения. Преобразователь служит для преобразования постоянного тока в переменный или наоборот и может работать, например, в качестве устройства для гарант тированного питания потребителей переменного тока, требующих напряжения со стабильной или с регулируемойчастотой. Благодаря присущему каждому инвертору напряжения свойству обратимости преобразователь может быть использован и для рекуперации энергии из сети переменного тока в сеть постоянного тока, например для заряда аккумуляторной батарей. Он может быть использован и в качестве инвертора

ведомого сетью. Тогда и при применении тиристоров узлы искусственной коммутации вентилей в инверторах не требуются.

Известен преобразователь, содержащий два трехфазных инвертора, каждый из которых, своим трансформатором подключен к общим для всего преобразователя выводам переменного тока. Первичные напряжения этих трансформаторов с помощью системы управления сдвинуты на угол я/6. Вторичные обмотки трансформаторов инверторов соединены у одного по схеме звезда, а у другого - треугольник. Поэтому основные гармоники кривых вторичного напряжения инверторов оказываются синфазными. В этом преобразователе, являющемся аналогом данного предложения, подавлен ряд пар нечетных гармоник - гармоник с порядковыми номерами 6К±1,

VI

Ю СО СЛ

ю

N3

где К 1, 3, 5... Соответственно подавлены гармоники с порядковыми номерами 5, 7; 17, 19; 29, 31;...

Недостатком данного преобразователя является невозможность подавления других гармоник, что важно, например, при использовании инверторов с трехпроеодным входом, где названные гармоники и без того малы, а нуждаются в подавлении 11,13 гармоники. Недостатком является и необходимость применения трансформаторов с различными конструкциями обмоток.

Известен также преобразователь, содержащий четыре инвертора. В нем наряду с соединением первичных обмоток трансформаторов по схемам треугольник, звезда, применены схемы соединения вторичных обмоток прямой зигзаг и обратный зигзаг.

Недостатком этого преобразователя, рассматриваемого в качестве второго аналога, является его большая сложность и ис- пользбвание трансформаторов с существенно разными обмоточными данными. ..--- .. :

Известен также преобразователь со звеном постоянного тока, который подобно первому аналогу содержит два трехфазных инвертора и два трансформатора с различными группами соединения обмоток. Напряжение одноименных фаз инверторов посредством системы управления сдвинуто ни угол л/6. У одного трансформатора схема соединения звезда - звезда, а у другого - звезда - зигзаг. Спектральный состав напряжения этого преобразователя такой же, как и у аналога, однако трансформаторы здесь разнятся числом обмоток, мощностью и коэффициентом трансформации. ;

Недостатком данного преобразователя, принятого в качестве прототипа, является невозможность подавления высших гармоник, кроме 5, 7; 17, 19;..., и необходимость применения трансформаторов, различающихся не только обмоточными данными, но и мощностью.

Целью изобретения является расширение выбора взаимно подавляемых гармоник (устранение ограничений свободы этого выбора) и максимальная унификация трансформаторов.

Поставленная цель достигается тем, что известный преобразователь, содержащий два трехфазных мостовых инвертора с трансформаторными выходами, в которых вторичные обмотки одного из трансформаторов соединены по схеме прямой зигзаг, а также содержащий блок управления, обеспечивающий формирование одноименных по фазе выходных напряжений инверторов с взаимным фазовым сдвигом на угол 2д. усовершенствовано. Для этого трансформаторный выход второго инвертора выполнен также с двумя вторичными обмотками, идентичными обмоткам первого, но соединенными между собой по схеме обратный зигзаг. При этом соотношение чисел витков вторичных обмоток трансформаторов одинаково и подобно (2) определяется номерами подавляемых гармоник. Оно находится из выражения, связывающего упомянутое соотношение - коэффициент трансформации Кг с величиной названного

выше фазового сдвига 2 д. При этом

(2)

Tzra- (1)

где N выбирается из ряда чисел 1, 2, 3... и влияет на величину подавляемых гармоник,

0 которые определяются рядом 6KN ±1.

При это гармонические с порядковыми номерами 5, 7, 17, 19, 29, 31... При N 2 это: 11, 13, 35, 37, 59, 61... Если число витков большей вторичной обмотки Wia принять за

5 А2, а число витков обмотки с меньшим числом витков Wi4 обозначить az, то

.к,-а2 - 2tgd

К2 А2 V3 - tg д 15°, «2 0,366.

0 Фазовый сдвиг импульсов управления на угол 2(5 обеспечивает синфазность соответствующих вторичных напряжений трансформаторов. Поэтому предложенное техническое решение не накладывает огра5 ничений на выбор схемы соединения первичных обмоток трансформаторов, а также на взаимное расположение вторичных обмоток другого: оно может быть параллельное (как у аналога) и последовательное (как

0 у прототипа).

На фиг.1 приведена силовая схема предлагаемого преобразователя; на фиг.2 - векторные диаграммы напряжений его трансформаторов и схемы соединения их

5 обмоток; на фиг.З - кривые суммарного напряжения вторичных обмоток каждого из трансформаторов и их суммарное напряжение (за первичную обмотку условно принимаем обмотку, подключенную к вентильной

0 схеме инвертора); на фиг.4 - модификация преобразователя по схеме фиг.1 и кривая его напряжения. Для подавления большего числа гармоник с сохранением прежнего числа трансформаторов в схеме удвоено

5 число инверторов; на фиг.5 - пример использования преобразователя фиг. 1 совместно с известным трехфазным инвертором с простейшим трансформаторным выходом; на фиг.6 - кривые напряжения отдельных

инверторов преобразователя по схеме фиг,5; ма фиг.7 - кривые напряжения этого преобразователя при нескольких значениях угла регулирования напряжения Я, обозначенного на потенциальной диаграмме одной фазы инвертора; на фиг.Ва и 86 - соответственно векторы основных гармоник напряжения вторичных обмоток трансформаторов преобразователей из четырех и из пяти инверторов при синфазном управлении одноименными вентилями, всех инверторов.

Преобразователь из четырех инверторов является модификацией предложенного преобразователя по фиг.1, содержит два преобразователя фиг.1. Преобразователь из пяти инверторов является примером использования этой модификации совместно с известным трехфазным инвертором. В обоих случаях инверторы в звене постоянного тока соединены параллельно. Вторич- ные обмотки трансформаторов этих преобразователей могут быть соединены как параллельно, так и последовательно.

На фиг.1-8 обозначены: 1 - отдельные трехфазные инверторы вместе с их блоками управления; 2, 3 -трансформаторы; 4 - шины постоянного тока; 5 - конденсатор для ограничения влияния индуктивности звена постоянного тока (его применение необязательно); 6 - шины переменного тока; 7.- преобразователь в целом; 8 - синхронный генератор (возможный второй источник питания звена переменного тока): 9-11 - различные потребители энергии переменного тока соответственно с линейной характеристикой, с нелинейной характеристикой и с противоЭДС; 12 --первичные обмотки трансформаторов 2 и 3; 13 и 14 - вторичные обмотки этих же трансформаторов: 15, 16 - векторные диаграммы основных гармоник напряжения вторичных обмоток трансформаторов 2 и 3 при синфазном управлении питающих их инверторов 1; 17 - вектор основных гармоник фаз А этих трансформаторов (соответственно Аа2 и Ааз) после взаимного встречного сдвига фаз напряжений питающих их инверторов на угол д; 18, 19 (20, 21) - векторы основных гармоник напряжений обмоток 14 и 13 трансформаторов 2 и 3, формирующих суммарные напряжения 22 (23); 18 , 19 , (20/ , 21) - мгновенные значения напряжений обмоток 14 и 13 трансформаторов 2 и 3 при синфазном управлении одноименными вентилями инверторов преобразователя; 22, 23 - мгновенные значения названных выше суммарных кривых напряжения после взаимного встречного сдвига отпирающих

импульсов упомянутых вентилей на угол д 24 - напряжение фазы А преобразователя (сумма напряжений 22 , 23) при последовательном соединении обмоток трансфор- маторов согласно фиг.1; 25 - напряжение преобразователя по схеме фиг.4; 26 - трансформатор третьего инвертора преобразователя по схеме фиг.5; 27, 28 - первичная и вторичная обмотки трансформатора

26; 29 - вектор основной гармоники фазы А трансформатора 26; 29- мгновенное значение напряжения фазы А трансформатора 26; 30 - напряжение преобразователя по схеме фиг.5 (сумма напряжений 22, 23, 29); 30,

31, 32 - напряжение названного преобразователя при угле регулирования Я, соответственно равном 0, 20, 30 эл. град; 34 - потенциальная диаграмма одного из выводов звена переменного тока одного из инверторов фиг.5, построенная относительно потенциала условной средней точки звена постоянного тока преобразователя; 35, 36 - векторы основных гармоник напряжения второй пары инверторов преобразователя,

выполненной также по схеме фиг.1 при синфазном управлении одноименными вентилями всех четырех (пяти) инверторов. Инверторы 1 могут быть как с двухпроводным входом (фиг.1, 4, 5) так и с трехпроводным входом (4).

Рассмотрим работу преобразователя по схеме фиг.1. Как известно фундаментальным свойством инвертора напряжения является независимость величины и формы

его напряжения от величины и характера нагрузки (падением напряжения на вентилях инвертора и импедансах звена постоян- ного тока и трансформаторов пренебрегаем). Поэтому векторные диаграммы фиг.2 и форма кривых напряжения каждого инвертора не зависят от числа инверторов преобразователя. Она остается неизменной при любом режиме работы преобразователя. В преобразователе используются инверторы со 180°-ным режимом работы встречно-параллельно включенных управляемых вентилей и диодов. Их работа общеизвестна и не нуждается в пояснении. Для формирования

фазового сдвига на упомянутый угол могут быть применены общеизвестные средства фазового управления.

Векторы 22 и 23 представляют сумму основных гармоник вторичных обмоток трансформаторов с учетом взаимного соединения начал и концов этих обмоток. Если принять, что w - угловая частота, t - время, (о t в, то согласно фиг,2

A22Sln(0 + (5) A2Sin 0+ 32Sln (fa 60°);

A22 VA2, + 2 A2 32 cos 6Qo + a2,

A + A2 32 + a

tgd

32 Sin 60°

A2+a2cos60° A2+0,5a2

При синфазном управлении одноименными вентилями инверторов основные гармоники суммарных кривых напряжения трансформаторов 2 и 3. как это показано на фиг.2, сдвинуты относительно оси ординат (оси отсчета углов), на угол ±д. При этом п-е гармоники кривых напряжения обмоток 13 трансформаторов имеют нулевой сдвиг фаз относительно оси ординат, а у обмоток 14 он существенно другой и составляет величину +60п у трансформатора 2 и -60п у трансформатора 3. В результате п-е гармоники суммарных кривых напряжений обмоток 13 и 14 названных трансформаторов сдвинуты относительно оси ординат на угол (5П где

д . 32 Sin 60 Л :,..

t9 5n A2+a2Cos60n (4)

Используя это выражение легко установить, что у трансформатора 2

6s - 5ц 5i7 5аз 29 ... - 5i

( при этом di 5)

d 5кз 5i9 «525 5з1 -... , а у трансформатора 3, наоборот, первый ряд имеет сдвиг-н 5i, а второй - d.

Поэтому при сдвиге отпирающих импульсов инвертора, питающего трансформатор 2 на угол д по часовой стрелке до совмещения вектора 22 с осью ординат, высшие гармоники окажутся повернутыми на суммарные углы дп 2

(55

(5 - + dii

+ 5i3

«5i7

+ (525

- 6 c5i ;

-6(5i; -12(5i -12(5/ - 18 (5i - -24 61 ; - 24 (3i - 3.0 5i - 30 (5i

Аналогичная картина имеет место при сдвиге отпирающих импульсов второго инвертора, питающего трансформатор 3 на угол 6 против часовой стрелки до совмещения вектора 23 с осью ординат. В результате встречного поворота векторов 22 и 23 на

угол б оба они занимают положение вектора 17. При д, равном 15 эл. град., гармоники с порядковыми номерами 6К±1 оказываются противофазными, а гармоники с порядко5 выми номерами 12К±1 оказываются синфазными. Естественно, что процентное содержание нескомпенсированных высших гармонических в суммарной кривой напряжения остается каноническим.

10 Работа преобразователя по фиг.2 с двумя инверторами хорошо согласуется с работой третьего инвертора, трансформатор которого объединен с трансформаторами первых двух так, как показано на фиг.5.

15 Трансформатор 26 имеет одинаковые схемы соединения первичных и вторичных обмоток, причем такие же как и у первичных обмоток трансформаторов 2 и 3. Взаимокомпенсация высших гармонических в сис20 теме, где действуют три напряжения с одинаковым спектральным составом, обеспечивается путем взаимного сдвига высших гармонических на угол ±120 эл. град, относительно гармонических нэпряжений треть25 его (центрального) инвертора. Поэтому блок управления этого инвертора обеспечивает установку фазы импульсов управления его вентилями посередине между импульсами управления одноименными вентилями двух

30 других инверторов, которые сдвинуты относительно друг друга на угол в 1,5 раза меньший, чем это было в предыдущем случае

- 2 с5 гт-7. При одинаковых первичных

35 обмотках всех трех трансформаторов число витков одной фазы вторичной обмотки двух- обмоточного трансформатора 26 составляет 88,5% суммы витков вторичных обмоток одной фазы трехобмоточных трансформато40 ров 2 и 3. При этом условии основные гармоники вторичных напряжений всех трансформаторов одинаковы. Фазовый сдвиг импульсов управления инверторов обеспечивает синфазность вторичных на45 пряжений трансформаторов. Поэтому возможно ка последовательное так и параллельное соединение вторичных обмоток трансформаторов. Спектральный состав кривой напряжения звена переменного то50 ка преобразователя в обоих случаях одинаков. Неподавлены лишь гармоники с порядковыми номерами 18q±1, где q - 1. 2, 3,4... т.е. гармоники 17, 19, 35, 37, 53, 55...

55 В преобразователе по схеме фиг.5 векторы 22 и 23 повернуты относительно оси ординат на угол 2 Д а не д, как это было в предыдущем случае, поэтому при определении величины Ка в выражение (2) следует подставлять в качестве аргумента угол 2 д.

Регулирование напряжения рассмотренных преобразователей производится любым известным методом, в частности, широтным. Пример такого регулирования при минимальном числе коммутаций за полуволну напряжения потенциальной диаграммы одной фазы инвертора преобразователя по фиг.5 приведен на фиг.7, кривая 34. Кривые напряжения в звене переменного тока преобразователя приведены при нескольких значениях угла регулирования Я. Естественно, что при любом значении величины Я ближайшими неподавленными гармониками остаются 17, 19, 35, 37. С изменением Я, наряду с изменением основной гармоники напряжения; ме- .няется относительное содержание лишь неподавленных высших гармонических. Глубина регулирования напряжения v, равная отношению Ui/UMaKc может быть найдена из выражения

(30-A/2).(5)

Как следует из кривых 31, 32, при величине угла Я, кратной величине д, кривая напряжения не содержит дополнительных ступеней. Их число остается таким же, как и при 5 0.

Взаимное подавление высших гармонических преобразователя разведением векторов основных гармоник напряжения вторичных обмоток трансформаторов его инверторов путем применения схем соединения этих обмоток прямой зигзаг - обратный зигзаг с последующим сведением названных векторов за счет сдвига импульсов управления вентилями инверторов может быть распространен и на преобразователи с большим числом инверторов, соответственно с подавлением большего числа гармоник. Поскольку применение преобразователя всего из пяти инверторов уже достаточно для формирования синусоидальной кривой напряжения, при которой коэффициент гармоник менее пяти процентов,ограничимся рассмотрением преобразователей из четырех и из пяти инверторов.

Преобразователь из четырех инверторов образуется путем объединения двух преобразователей по схеме фиг.1, различающихся между собой только величиной угла д. Их инверторы по входу соединяются параллельно. Вторичные обмотки двух пар трансформаторов могут быть соединены как последовательно, так и-параллельно. Спектральный состав их суммарного напряжения от этого не зависит. Преобразователь из пяти инверторов образуется путем добавлеК2

ния к преобразователю из четырех инверторов еще одного инвертора с двухобмоточ- ным трансформатором подобно тому, как это было показано в преобразователе из трех инверторов. Если в преобразователе из двух инверторов угол их взаимного сдвига при составляет 30 эл, град. (180/6

-60/2), в преобразователе из трех инверторов - 20 эл. град. (60/3), то в преобразователе из четырех инверторов он 15 эл. град. (60/4), а в преобразователе из пяти инверторов - 12 эл. град. (60/5). С помощью фиг.8 легко установить, что у двух последних из названных преобразователей соотношение

витков пары трансформаторов, формирующих вектора напряжения 35 и 36 находится соответственно из выражений

2 tg 3 д 2tg4 V3 - tg 3 б 2 V3 - tg 4 д

Спектральный состав кривых напряжения рассмотренных преобразователей приведен в таблице.

Применение предлагаемого преобразователя позволяет расширить возможность

выбора подавляемых гармоник, обеспечить подавление подряд большего числа гармоник и максимально унифицировать трансформаторы. Если в инверторах применены тиристоры, то при нечетном числе инверторов в преобразователе могут быть упрощены сами инверторы за счет использования группового узла коммутации общего для

всех инверторов. При этом дополнительных перезарядов коммутирующего конденсатора не требуется.

Формула изобретения 1. Преобразователь, содержащий два трехфазных мостовых инвертора напряжения, каждый с трехфазным выходным трансформатором, причем две трехфазные вторичные обмотки одного из них соединены по схеме прямой зигзаг, а также блок управления, обеспечивающий фазовый сдвиг выходных напряжений указанных инверторов на угол 2 б, отличающийся тем, что, с целью расширения выбора взаимно подавляемых гармоник и унификации трансформаторов, последние выполнены с одинаковыми обмоточными данными, причем первичные обмотки имеют одинаковые схемы соединения, вторичные обмотки другого трансформатора соединены по схеме обратный зигзаг, выходные обмотки трансформаторов соединены в зигзаг, включены последовательно или параллельно, а соотношение чисел витков Кг во вторичных обмотках, соединенных в зигзаг, выполнено для обоих трансформаторов одинаковым и

взаимосвязанным с упомянутым углом следующим выражением:

К2 2tgd

К2 V3 - tg д

где чтта- N определяет номер подавляемых гармоник и выбирается из ряда чисел 1,2...

вого преобразователя, импульсы управления вентилями первого инвертора второго преобразователя опережают по фазе импульсы одноименных им вентилей первого инвертора первого преобразователя на упомянутый угол 2 д, а соотношение чисел витков Кад вторичных обмоток второй пары трансформаторов устанавливается также одинаковым и равным

-&&

причем суммарные напряжения вторичных обмоток всех трансформаторов одинаковы, а вторичные обмотки трансформаторов соединены последовательно (попарно последовательно) или параллельно (попарно параллельно).

Фаг. 3

Фиг.-f

53

Stf

t

I

. J

J A «

Ь, .

,

j. -V.-T .

Фиг. 7

Фаг. 8