Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное Советский патент 1980 года по МПК H02M7/537 

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано при построении централизованных источников питания, для частотного запуска и управления двигателями тюременного тока малой ЛРКНЦНОСТИ,ДО еди ниц кВа, различных типов(синхроннь7Х, асинхронных и пр.) работающих как на постоянную, так и на переменную нагрузку, во всех тех случаях, где требуются уменьшенные масса и габариты н улучшенное качество выходного тока. Известны инверторы с широтно-импуль ной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения, обеспечивающие уменьшенные иска женин выходного тока Til и Г21 . Наряду с возможностью изменения выходной частоты в этих инверторах возможно также известными способами осуществить регулирование выходного напряжения. Указанные инверторы имеют бест рансформаторный выход. Известно, что в ряде случаев примене ния требуется согласование уровней напр жения питания и напряжения на нагрузке. Наиболее широко применяемым средством решения этой задачи является установка на выходе инверторов согласующего трансформатора. Однако при низких выходных частотах, а такя« при использовании инвертора в электроприводе частотного запуска и yitравления двигателями, применение трансформатора становится невозможным или ограничено из-за резко увеличивающихся габаритов. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь постоянного напряжения в трехфазное з , кото1мй содержит три однофазных инвертора одной частоты (модулируемой), выходные напряжения которых сдвинуты на 120 эл, градусов относительно друг друга, три трансформатора, первичные комплект обмоток которых подключены к выходам инверторов, а три вторичных комплекта обмоток нагружены на диодные мосты. Выходные

выводы каждого из зтих диодных «ос то а связаны между собой через транзиг-тс ры,, управляющие входы Koropbfx через pacnpfe целитель импульсов связавъг с за.вдющим генератором другой частоты, пг:-г.:чем р:ам плекты вышеупомшгутых вторичт ых СЗ моток трансформаторов связавъ мекру собой так,, что нулевыми точкам образуют трехфазный выход преобразователя., отвг;/ да снимают напряжение с деухполярной широтно-импупьсной модуляцией. Преобразователь обладает упучиюнной 1|юрмон кривой выходного напряжения и тока.

К недостаткам такого преобразоБ-з.гея относятсй увеличенные потери, вызЕ.анHbse протеканием сквозных токов и к эстабипьностыо коэффициента насыщения транзисторов при работе на переменную нагрузку, что приводит к сниженшо значения КПД преобразователя в целом.

В преобразователе з , который работает на мапую, практически .постоянную нагрузку, пропуская ток управпеиия транзисторов, проблема сквозных токов здесь не является определяющей и бс. лее того, практически не вознгжает, так как величина сопротивления цепей, пс которым могут протекать сквозные токи, соизмеримы с величиной сопротивпениа нагрузки. Также 1Ю :эбходимо отметить, что увеличение выходной мощности бует увеличения установленной MOUIHCSCTH элементов. Учитывая огроничс.в1ш;с .зозможности транзисториз.в по токуа ста-. новится очевидным, что увелкчвяие ыощ-.. ностй до единиц кВА возможно при параллельном их соединении. При BTOIVI возникает щуоблема равномерного распределени.й тока нагрузки ;--/;е к. этимя трен аисторами.

Цель изобретения пов.ьушение щ-гем решений проблем стабили за ни .i коэффициента насыщения транзисторов хст- ранения сквозных токов ,JMк мостами и равномерного распредепенкя токов нагрузки параллельно работающими транзисторами

Это достигается тем. Ло известный иреобразователь постоянного нанря; -. НКЯВ трехфазное, содержащий трвхфа,з- ный инвертор, одной частоты с тра1ж;фор маторным; выходом и с тремя вторичными комплектами об1 тоток, нагружйг.-ных на диодные мосты, выходньш вы ВОДЬ камшого из которых, связан -; собой транзистор., а у-т раы1Ш.м1к.зходы последних подсоединеьм к оадающему генератору друтюй ч.астагы, сйаб;;-зн ра-ксформатором тока и 12п -3 трвнэисторами, Выхсгды ка кдого моста с.йяз.-;и:ы между через 4ii цепоч-. тги из песяедоватвнльно соединенных сило- хюго перехода транзг-ютора и обмотки тре ФоррЛйтора, причем первые цепочек подсдадигены к выходным выводам каждого .акодного мо.гга не.гюсредственно5 хзжд.ая из вторых 2 п цепочек подсоединена тэотвечсгвенно к .вляюшему пар&хоау каждого из транзисторов перibix 2 fi цепочек, а управляющие входь траазисторов вторых 2п цепочек связаны с рас.гфеделитепем импульсов, ко- Yopbiii выполнен бп каналь-гьш, где и, i,2j3.., - любое пепоа число.

.рйхфазкое промех-суточное звено вы-. сокой частоты может быть выполнено как ::. йзуяе мостового трехфазного инвертора (фиГо 1),так и .в виде трех одно-.. . йазшэух инверторов со сдвигом вь.ходнрз Х кзиряжений в 120 эл., градусов,,

Число парал:лельнь.х цепочек на DS Tходе диодного мосте должно быть (м и оггределяется величиной пропускаемсто тока и типом транзистора,

На фкг, 1 пок.ззана .принпигшальная схема предлагаемого преобразователя с р.По:::;;.лальнс возможным числом параЛ кель;шх цепочек (двумя); на фиг. 2 ii jiEhjOHfibve диаграммы, поясняющие ггринц работы; на фкг 3 -- временные диаг;;й.к.;ь;.ь1: поясн.чющие принцип работы регул груем;ого пс напряжйн.гю варианта прооб.1азо;5аталк.,

Предлагаемый тр кзистсфный преобразоЕштсль (фиг. 1) содерж 1Т трехфаз- ньгй инверТОр повьгшенной частоты I, выКлкекаий на транзисторах , диодах 8..-13 и трй.фазный трапсформа ор 14, первичный комп.иект об1.401-ок 15 которог вк..лочен п в ;гходе трах4 вз-1:ого г-пшерто

Ра ,:

A,S,C, а вторичные комплекты обмоТ.ж нагружены ча три диодпь х :.2осга 194-21 о Зыходь этг-тх мостов ;io .с1-ояннокгу току залкт-оты . параллелызь мк nenc-i;i:K..9ivrK; аьщолненЕыми в виде после г юватепькс сседкненкь Х эмиттер-.кол.лекторкьзх переходов С5 ловых траизкстороБ 22-27 тервкч1чых обмоток 28433 тр5.кс;форг/атор.я тока. -;горкчнь е обмотки лрансфорг вгора тока З4.ь39 через вспаК4Огат9ПЬ№5е тра1. 404-45 лодкшочьнь к йл,;ит-тер..базсаьгг. ncpexoi aM сило1-.ЫХ тран.зис-горозо Ь.;; управляющие выходы 4€roi эанэрсгороь промежуюч.Hwc аьака высокой частоты подею; 5 трехфазную систему управляющих сигна лов с распределителя импульсов 58 с ча тотой следования { , а на входы 59464 вспомогательных транзисторов 404-45 с распределителя импульсов 65 подают систему сигналов Urg -г U(4 (фиг. 2), Частота переключения закорачивающих ключевых элементов на выходах диодных мостов равна f и в дальнейшем будет называться модулирующей. При этом задающий генератор 66 работает на частоте, равной 3/2 ц/,а на выходе распределителя импульсов 65 имеют мес то импульсы с частотой следования, равной . Нулевые точки трехфазных вторичных обмоток трансформатора 14 о разуют трехфазный выход преобразова теля а, в, с, где имеет место напряжения с двухполярной ШИМ. Формирование выходного напряжения преобразователя поясняется временными Шзграммами на фиг. 2, где показано: Uy, - форма напряжения на обмот™ ках трансформатора 1, частота которог равна (период Т : 1 / ); Uj.форма управлякяцих сигналов, подаваемы на входы вспомогательных закорачивающих транзисторов с частотой 1 (период ,); ,Uc - форма выходного фазного на пряжения преобразователя (пунктиром по казана основная гармоника напряжения). Частота основной гармоники выходног напряжения равна разности модулируемой и модулирующей частот ,.-| - f |.Частоту . целесообразно брать фиксированной, а регулирование выходной частоты { осуществлять за счет изменепо заданному закону ния частоты (хотя в общем случае это непринципиаль Регулирование напряжения в предлагаемом на фиг. 1 варианте преобразователя может быть осуществлено за счет введения угла регулирования о(.(1.у) в алгоритмы управления транзисторами . Принцип формирования напряжения в этом случае дополнительно поясняется вр менными диаграммами на фиг. 3, где представлены: UAiUQ,Ur - осциллограммы напряжений наводимые в обмотках трансформатора 14 с частотой ,( d - t - угол регулирования напряжения) (J j форма управляющих сигналов; подаваемых на входы вспомогательных закорачивающих транзисторов с частотой . 9 «-a.-t), с - форма фазных выходтих Напряжений преобразоввтеля. Для решения проблемы стабипизацни коэффициента насыщения транзисторов, а для устранения сквозных токов преобразоват.епь снабжен трансформатором тока, все обмотки которого расположены на общем магнитопроводе. Наличие в структуре, преобразователя нечетного числя коммзтирующих элементов, а именно трех диодных мостоВ; приводит к TObiy, что выполнение закорачивающих ключей в виде одной цепочки из последовательно соединен1&гх транзистора и обмотки трансформатора тока становится невозможным, так как при этом не обеспечивается полный цикл пеpeN;arHH4HBa:-infl сердечн жа трансформатора тока. Например, если ключи выполнены на Транзисторах 22, 23 и 24 (фиг. 1), то сердечник трансформатора тока после первого цикла переключения дподных мостов с 21 на 19 окажется намагниченным, и в дальнейшем будет периодически намаг1шчиват1 ся и работать по частному щгклу. сделает невозможным нормалыгую работу преобразователя. Выполнение закорачивающтс: ключевых элементов по предложенгьюй схеме устраняет этот недостаток. Рещение позволяет стабилизировать коэф :1нциент насьпцепия силового транзистора, а также исклю- Ч1ггь саму E0з южнocть протекания сквозlibix токов. Наприме.р если тредполож1ПЬ, что в момент пор-;кп.ючения силовых транзисторов 22 и 23 Б9зк -1к-йет вышеописанный режшч-, то транзистора окажутся в проводядшм состоянии. При этом обмотки трансформаторов тока 28 к 29 оказываются включенными через мосты 19 и 20 л коьшлекты обмоток 16 и 17 последовательно и бнфилярно, поэтому,во BTOpH4HbiX обмотках, в частности обмотке 35, ке нсзодится ЭДС, к хотя транзистор 41 оказь.оае-гся открытым сигналом, поступив л-км с распределителя импульсов 65, сигнал на О1пирание транзистора 23 от обмотки обратной связи не поступает цо тех пор, пока тракзис1х р 22 не закроется (и не исчезнет возыо кность для протекания сквозных токов). Только после этого транркстор 23 открывается и вступает в работу. Для ускорения пропесса рассасыраняя неосновных носителей в базе выходящнх из работы силовых транзисторов и избежания режима оборванной базы в кюмент выключения вспомогательного трвнзистора, необходимо вкточать сопротивпение порядка десятков или сотен Ом паралпел но эмиттер-базовым переходам силовых транзисторов (на фиг. 1 не показано). Алгоритм переключения закорачивающих ключевых элементов, при котором параллельная цепочжа работает каждай Т (, где Tf - период мо только аудирующей частоты, позволяет умен шить среднее или действующее значекие мсщности, приходящееся на камсдый силовой транзистор. При этом не т ребую ся специальные меры, обеспечивающие равномерное распределение токов нагруз ки между этими транзисторами, что сам по себе представляет не просто решаемую задачу. Напряжение, прикладываемое к обмоткам трансформатора тока, также как и ток, протекающий через ЕШХ, имеет форму, близкую к прямоутолыюй. Частота перемагничивания сердечника транс||юрматора тока равна 3/2 . Рассмотренная структура магнитш)транзисторных ключей позволяет осуществить коммутацию электрич«;кой эне гии с наиболее оптимальными энертети- ческими показателями. С той же целью, в трехфазном iraisep торе промежуточного звена высокой частоты 1 введена токовая обратная связь, осуществленная при помощи трансформаторов тока 67, 68 и 69. Первичные обмотки этих трансформаторов включены между собой встречно и последовательно с эмиттер-коллекторными переходами транзисторов каждого плеча инвертора, а вторичнь е обмотки противофазно подключены к управляющим входам этих транзисторов через вспомогательные тра зисторы 70i.75. Каждатй ключевой элемент инвертора таким образом coaepiRorr два управляющих входа 464-57, кот-орые подключены к соответствующим выходам распределителя 58. Следует различать сквозные токи в инверторе типа транзистор-транзистор и транзистор-диод. Наличие токовой обратной связи позв4эпяет устранить сквозные токи типа транзистор-транзистор. Уменьшить влияние скво токов типа диод-транзистор возможн за счет применения диодов с более высокочастотными свойства л1, чем транзисторПредложенный преобразователь со зве ном высокой частоты может применяться 30 к;ех тех случаях, где требуется прербразование постоянного нерегулируемого напряжения в трехфазное напряжение заданной фиксированной или регулируемой частоты в диапазоне от долей Гц до единиц кГц с фиксированным или регулируемым напряжением заданного уровня. Это придает ему свойства универсальности и отвечает современным требованиям унификации. Формула изобрете ни я Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное, содержащий трехфазный инвертор одной частоты с трансформаторным выходом и с тремя комплектами вторичных самоток, связанных с выходными выводами и нагруженных на диодные мосты, выходные выводы каждого из которых связаны между собой через тран- зистор, управляющие входы последних подсоединены к задающему генератору другой частоты через распределитель импульсов, а точки соединения обмоток разных фаз, принадлежащих разным комплектам, образуют Ш |ходные выводы преобразователя, отличающийс я тем, что, с целые повышения КПД и расширения функциональных возможностей, он снабжен трансформатором тока и 12 п -3 транзисторами, выходы каждого моста связаны между собой через 4 ц цепочки из последовательно соединенных силового перехода транзистора и обмотки трансформатора, п|жчем первые 2 h цепочек подсоединены к выходным выводам каждого моста непосредственно, каждая из вторых 2 п цепочек подооединена соответственно к управляющем переходу каждого из транзисторов первых 2пиепочек, а управляющие входы транзисторов этих вторых 2ц цепочек связаны с распределителем импульсов, который выполнен 6h канальным, где И 1,2,3... любое целое число. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3573601, 321-9Д971. 2.Заявка Японии № 49-15289, кл. 56 В 4, 1974. 3.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2352859/07, И 02 М 7/537, 1976. У Г у 4, У si