Преобразователь постоянного напряжения в многофазное Советский патент 1980 года по МПК H02M7/48 H02M5/27 

1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для частотного запуска и управления двигателями переменного тока малой (до единиц киловольт-ампер) мощности различных типов (синхронных, асинхронных и пр.) в тех случаях, где требуется улучшенное качество выходного тока.

Известен преобразователь с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения 1, обеспечивающий преобразование однофазного напряжения в трехфазное. Преобразователь содержит входной трансформатор, подключенный ко входным выводам трехфазного мостового инвертора на встречно-параллельно включенных тиристорах и блок управления, включающий в себя трехфазный задающий генератор управляющих импульсов выходной частоты. Недостатком этого преобразователя является сравнительная сложность блока управления, поскольку для используемой в этом случае естественной коммутации тиристоров и разделительного (без уравнительных токов) управления требуется сложный алгоритм управления, требующий введения обратной связи по току и по форме выходного напряжения (тока).

Известен также преобразователь однофазного напряжения в трехфазное 2, содержащий однофазный трансформатор с тремя вторичными обмотками, выполненными с отпайками, а также щесть трехфазных ключей переменного тока в виде трехфазных диодных мостов с транзисторами, включенными на их выходах. Входы мостов подключены к разновитковым отпайкам каждой из

10 вторичных обмоток трансформатора. К недостаткам преобразователя относятся сложность структуры и ограниченные функциональные возможности из-за невозможности регулирования выходной частоты, а также невысокие массо-габаритные показатели из15 за плохого использования обмоток трансформатора.

Наиболее близким техническим рещением к предложенному является преобразователь постоянного напряжения в многофазное

2Q содержащий трехфазный мостовой инвертор, в качестве ключей которого использованы встречно-параллельно включенные тиристоры, а также однофазный инвертор, преобразующий постоянное напряжение в

прямоугольное постоянной частоты, выходом связанный со входными выводами мостового инвертора. Блок управления этими преобразователем содержит задающий генератор, распределитель импульсов и усилительно-развязывающий узел. Выходные выводы блока управления подключены к управляющим входам ключей однофазного и трехфазного мостовых инверторов. На выходе преобразователя формируется трехфазное напряжение.

К недостаткам преобразователя следует отнести невысокое качество выходного тока, а также ограниченные функциональные возможности, а именно: в случае согласования уровней входного и выходного напряжений посредством промежуточного высокочастотного звена преобразователь не обеспечивает регулирования выходной частоты в щироком диапазоне (из-за появления субгармоник), а в случае отсутствия промежуточного высокочастотного звена затруднено согласование напряжений из-за резко увеличивающихся (особенно при малых выходных частотых) габаритов выходного согласующего трансформатора.

Цель изобретения - уменьшение искажений выходного тока преобразователя и расширение его функциональных возможностей.

Для достижения поставленной цели в преобразователь, содержащий многофазный мостовой инвертор на-ключах с двусторонней проводимостью, связанный входными выводами с выходом основного однофазного инвертора, и блок управления, в состав которого входят последовательно связанные между собой задающий генератор и усилительно-развязывающий узел, выходами подключенный к управляющим входам ключей основного однофазного инвертора, а также распределитель импульсов, связанный с управляющими входами ключей многофазного мостового инвертора, введены дополнительные однофазные инверторы, выходные частоты которых выще частоты основного однофазного инвертора и кратны ей, делители частоты, а также второй задающий генератор, связанный с распределителем импульсов. Выходы основного и дополнительных однофазных инверторов соединены последовательно и подключены ко входным выводам многофазного мостового инвертора. Выходы делителей частоты связаны через усилительноразвязывающие узлы с управляющими входами ключей дополнительных однофазных инверторов. Ключи многофазного мостового инвертора выполнены полностью управляемыми.

Число дополнительных однофазных инверторов в общем случае определяется требуемым качеством выходного тока преобразователя. Коэффициент трансформации каждого из трансформаторов, включенных на выходе дополнительных однофазных инверторов, должен соответствовать амплитуде подавляемой гармоники. Для упрощения будет рассматриваться преобразователь только с одним дополнительным однофазным инвертором, выходная частота которого соответствует, например, третьей гармонике несущей частоты.

На фиг. 1 показана принципиальная схема предлагаемого преобразователя с одним дополнительным однофазным инвертором; на фиг. 2 - трансформаторная часть преобразователя; вариант; на фиг. 3 - принципиальные схемы ключей с двусторонней проводимостью; на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя; на фиг. 5 - алгоритмы регулирования выходного напряжения трехфазного мостового инвертора; на фиг. 6 - временные диаграммы, поясняющие работу регулируемого варианта преобразователя.

Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное (фиг. 1) содержит мостовой инвертор на полностью управляемых

0 ключах 1-6 с двусторонней проводимостью, два однофазных мостовых инвертора: основной 7 и дополнительный 8, и блок управления 9. Выходные выводы однофазных инверторов 7, 8 подключены к первичным обмоткам 10, II трансформаторов 12, 13,

вторичные обмотки 14, 15 которых соединены последовательно, образуя выводы 16, 17 для подключения ко входным выводам трехфазного мостового инвертора. В состав блока управления 9 входят два задающих

0 генератора 18, 19; делитель частоты 20; распределитель импульсов 21; собранный по схеме трахфазного пересчетного кольца на триггерах J-К-типа 22-24, блок регулирования напряжения 25; усилительно-развязывающие узлы 26-28.

S Выход задающего генератора 18 подключен к тактовым входам триггеров 22-24 распределителя импульсов 21, связанного через блок 25 регулирования напряжения с усилительно-развязывающим узлом 28, выхо. ды которого подключены к управляющим входам ключей 1-6 трехфазного мостового инвертора. Задающий генератор, составленный из собственно задающего генератора 19 и триггера 29, подключен ко входу делителя частоты 20, выход которого соединен с такJ товым входом триггера 30. Выходы триггера 30 подключены ко входам усилительноразвязывающего узла 27, выходные выводы которого соединены с управляющими входами ключей основного однофазного инвер тора 7, а выходы триггера 29 через усилительно-развязывающий узел 26 связаны с управляющими входами ключей дополнительного однофазного инвертора 8.

В случае когда трехфазная нагрузка имеет нулевую точку, преобразователь может быть снабжен нулевым выводом. В этом случае трансформаторная часть преобразователя имеет вид, показанный на фиг. 2, при этом вторичная обмотка каждого из трансформаторов выполняется в виде двух секций.

На фиг. 3,а, б, изображены варианты ключей с двусторонней проводимостью. Ключ на фиг. 3, а содержит один управляемый ключевой элемент (транзистор или тиристор) и обеспечивает прохождение тока нагрузки в обоих направлениях. Ключ на фиг. 3,6 содержит два полностью управляемых ключевых элемента (в данном случае два транзистора). Для его управления требуется информация о направлении тока нагрузки, которая может быть получена, например, при помощи дрансформатора тока. В этом случае при использовании трансформатора тока в трехфазном мостовом инверторе одновременно может быть обеспечена также стабилизация коэффициента насыщения транзисторов и устранены сквозные токи. В связи с этим схема на фиг. 3, б потенциально обладает лучшими по сравнению со схемой на фиг. 3,а энергетическими показателями.

Принцип формирования выходного напряжения преобразователя поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг. 4, где показаны: U ig - сигнал с выхода задающего генератора 18 одной частоты; и 19 - сигнал с выхода задающего генератора 19 другой частоты; Uao - сигнал с выхода делителя частоты 20; U ю - форма напряжения на первичной обмотке 10 трансформатора 13, U i - форма напряжения на первичной обмотке 11 трансформатора 13; - форма напряжения на входных выводах 16-17 трахфа.зного мостового инвертора; - сигналы с выхода распределителя импульсов 21; U, Ug, Uc. до - выходные фазные напряжения преобразователя.

Рассмотрим работу преобразователя. Задающим генератором 18 задают частоту переключения ключей 1-6 трехфазного мостового инвертора, а задающим генератором 19 - частоту напряжения, питающего трехфазный мостовой инвертор, и синхронизируют работу основного 7 и дополнительного 8 однофазных инверторов. Импудьсы с выхода задающего генератора 19 поступают на тактовые входы триггеров 22 - 24 распределителя импульсов 21, который осуществляет 120-градусный фазовый сдвиг между управляющи и сигналами ключей 1-6 трехфазного мостового инвертора (Uai- зе на фиг. 4). С выходов распределителя импульсов сигналы поступают в блок 25 регулирования напряжения, где происходит формирование сигналов управления ключами 1-6 трехфазного инвертора в соответствии с выбранным алгоритмом регулирования. Варианты алгоритмов показаны на фиг. 5. В усилительно-развязывающих узлах 26-28 осуществляется усиление и гальваническая развязка сигналов управления. С выходов усилительно-развязывающего узла 26 сигналы управления поступают на управляющие входы ключей 1-6 инвертора. С выхода задающего генератора 19 управляющие импульсы поступают на тактовый вход триггера 29, а также на вход делителя 20 и на тактовый вход триггера 30. На выходе триггеров 29, 30 формируются сигналы управления ключами однофазных инверторов 7, 8. В соответствии с алгоритмом управления на первичных обмотках 10, 11 трансформаторов 12, 3 формируются напряжения, формы которых изображены на фиг. 4 (U ю, U|r). Поскольку вторичные обмотки 14, i5 трансформаторов 12, 13 включены последовательно и встречно, то напряжение на входных выводах 16, 17 трехфазного мостового инвертора, равное разности напряжений на вторичных обмотках трансформаторов, будет при этом иметь вид U б 1. показанный на фиг. 4. Выходное напряжение преобразователя (Уд, UB , Uc , на фиг. 4) имеет частоту fj, равную разности несущей частоты ft (т.е. частоты напряжения на входных выводах 16, 17 трахфазного инвертора) и модулирующей частоты f; (т.е. частоты переключения ключей 1-6) ;. . Амплитуда напряжения на вторичной обмотке 15 трансформатора 13 дополнительного однофазного инвертора 8 меньще амплитуды напряжения на вторичной обмотке 14 трансформатора 12 основного инвертора 7 во столько раз, во сколько частота f 1 основного инвертора 7 меньще частоты дополнительного. Это позволяет компенсировать в спектре выходного напряжения несущей частоты f 1 определенные гармоники, имеющие ближайшую частоту к основной (например третью, пятую и т.д.), что улучшает качество выходного тока преобразователя в целом.

Для регулирования основной гармоники выходного напряжения преобразователя могут быть применены различные алгоритмы управления ключами 1-6 трехфазного мостового инвертора. На фиг. 5 представлены три возможных алгоритма регулирования А, Б, В ключами 1-2. Все три алгоритма обеспечивают регулирование напряжения от нуля до максимального значения при работе по схеме без нулевого вывода (фиг. 1).

При выполнении трансформаторной части преобразователя по схеме, изображенной на фиг. 2, полный диапазон регулирования напряжения от нуля до максимального значения достигается только при использовании алгоритма А, а алгоритмы Б и В обеспечивают ограниченный диапазон регулирования. Однако алгоритм А характеризуется несколько худшими энергетическими показателями по сравнению с алгоритмом Б из-за увеличенного числа переключений ключей 1-6. При регулировании напряжения по алгоритмам А и Б происходит фазовый уход выходного напряжения преобразователя, устранить который (в тех случаях, когда это необходимо) можно применением симметричного алгоритма В. Он, так же как и алгоритм А, имеет худшие энергетические показатели по сравнению с алгоритмом Б из-за увеличенного числа переключений. На фиг. 6 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип формирования выходного напряжения преобразователя при регулировании выходного напряжения по алгоритму В.

Как уже отмечалось, качество напряжения питания несущей частоты зависит от числа подавленных высших гармоник, т.е. от числа дополнительных однофазных инверторов. Однако существуют и другие методы улучшения качества напряжения однофазных инверторов за счет применения, например , соответствующих алгоритмов управления с широтно-импульсной модуляцией. Простейшим средством уменьшения искажений выходного напряжения является введение фиксированной паузы эл.град. между его полуволнами. Это позволяет уменьшить коэффициент гармоник напряжения однофазного инвертора, на 41%.

Можно также введением фиксированной паузы rfo /3 исключить из спектра выходного напряжения однофазного инвертора (т.е. из спектра несущей частоты) гармоники, кратные трем, а дополнительные инверторы выполнить на частоту ближайших по частоте высших гармоник (пятую, седьмую и т.д.).

Улучшение качественного выходного тока преобразователя может быть достигнуто также за счет использования соответствующего алгоритма дереключения ключей 1-6 трехфазного мостового инвертора (например, алгоритма с широтно-импульсной модуляцией).

Преобразователь, выполненный с одним основным однофазным инвертором 7, и при наличии нулевого провода имеет, согласно расчетам, наихудшее качество выходного напряжения (тока). Отсутствие нулевого провода позволяет улучшить (при той же структуре однофазного инвертора и алгоритме управления ключами 1-6 инвертора) качество выходного напряжения примерно на 8%. Такое же улучшение качества выходного напряжения, но при наличии в преобразователе нулевого провода может быть достигнуто при введении дополнительного инвертора 8 (см. фиг. 1) для устранения третьей гармоники из спектра напряжения питания трехфазного мостового инвертора. Качество напряжения несущей частоты при этом улучшается на 35,5/о. Предельным улучшением качества напряжения питания является его синусоидальная форма. В этом случае удается улучшить качество выходного напряжения преобразователя на 14,5% (при наличии нулевого провода).

В пределе при синусоидальном напряжении питания и при соответствующем алгоритме переключения ключей 1-6 (например, при алгоритме с широтно-импульсной модуляцией по синусоидальному закону) коэффициент гармоник выходного тока преобразователя при углах нагрузки больше

примерно 10 эл.град может быть уменьшен на 30%. Структура преобразователя позволяет обеспечить необходимое значение коэффициента гармоник выходного тока при любых значениях выходной частоты. Промежуточное высокочастотное преобразование

электрической энергии обеспечивает возможность согласования уровней напряжения питания и требуемого выходного напряжения при наилучших массо-габаритных показателях трансформаторного узла, причем данное преобразование достигается при помощи только одного однофазного трансформатора. Необходимо также отметить, что суммарная установленная мощность элементов основного и дополнительных однофазных инверторов оказывается при этом примерно такой

0 же, как и в случае использования только одного промежуточного однофазного инвертора.

Таким образом, предлагаемый преобразователь может быть использован для создания малогабаритного реверсивного электропривода малой мощности с большим диапазоном регулирования частоты, напряжения.

Формула изобретения

® Преобразователь постоянного напряжения в многофазное преимущественно для частотно-управляемого электропривода, содержащий многофазный мостовой инвертор на ключах с двусторонней проводимостью,

связанный входными выводами с выходом основного однофазного инвертора, и блок управления, включающий в себя последовательно связанные между собой задающий генератор и усилительно-развязывающий узел, выходами подключенный к управляюо щим входам ключей основного однофазного инвертора, а также распределитель импульсов, связанный с управляющими входами ключей многофазного мостового -инвертора, отличающийся тем, что, с целью уменьшения искажений выходного тока

и расширения функциональных возможностей, он снабжен дополнительными однофазными инверторами, выходные частоты которых выше частоты основного однофазного инвертора и кратны

50 ей, делителями частоты, связанными с задающим генератором, а также вторым задающим генератором, связанным с распределителем импульсов, причем выходы основного и дополнительных однофазных инверторов соединены последовательно и подклю5 чены ко входным выводам многофазного мостового инвертора, выходы делителей частоты связаны через усилительно-развязывающие узлы с управляющими входами ключей

дополнительных однофазных инверторов, а ключи многофазного мостового инвертора выполнены полностью управляемыми.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 163265, :сл. Н 02 М 5/27, 1962.

2.Авторское свидетельство СССР № 493872, кл. Н 02 М 5/27, 1975.

3.Антонов. А. М., Данько Г. Ф. и Троянская Д. О. Инв.ертор с промежуточным звеном повышенной частоты. Труды ВЭИ. Силовые полупроводниковые устройства. М., «Энергия, 1967, с. 124-130 (прототип).

-UnHi

риг.З

I i I I I I I I I 1 I I I I I I I I I I I I М I I

% U19

I I M I I I и 11 I I I I I M и I M I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

(го

плги1ПЛ1и 1гтштшшл

-t

л Л

%-77

V

Sl SI

IT TJ 1

JU

1 I-I J J

X .

фигЛ

Л л

16-Л

и V IT 1Г г

1 ДОЛЛД

и,

/In nJi

В

17 ЧГ 1 n JinJLd

Ut

ot о( ОС

л

г1л Гит;

Фиг.6