Преобразователь постоянного напряжения в многофазное переменное Советский патент 1980 года по МПК H02M7/515 

(54) ПРЕОБРАЗСВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В МНОГОФАЗНОЕ ПЕРЕМЕННОЕ

1Изобретениэ относится к преобразовательной технике, в частности , к автономным тиристорным инверторам, осуществля ющим регупирсжание выходного напряжени и частоты с приближением формы кр1юой выходного напряжения к синусоидальной за счет применения широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Известны Г11Й способы управления тиристорами трехфазного инвертора, согласно которым осуществляется ШИМ выходного напряжения инвертора путем соэдания в течение каждого полупериода числа И одинаковых прямоугольных импульсов, кратного трем, длительность которых равна длительности импульсов управления, причем в качестве силовой схемы используестя мостовой трехфазный инвертор, Так как в большинстве практических случаев нар5шу с регулированием выходного напряжения и частоты необходимо пр(жодить согласование величины напряжения источника питания инвертора и величины напряжения, требуемого на1 рузкой, что осуществлдаот включеш1ем между инвертором я нагрузкой трехфазного трансформатора, то в области средних и нижних частот это приводит к возрастанию массо-габаритных показателей инвертора. Указанного недостатка лишен преобразсжатель постоянного напряжения в переменный наиболее близкий по технической сущности к предложенному, с так называемым йрбмежуточным звеном высокой частоты, содержащий пред1варительный одаофазный инвертор, промежуточный однофазный трансформатор с одной первичной и тремя парами вторичных обмоток, которые включены между собой согласно и подключены к тиристорным коммутаторам, каждый из которых состоит из двух пар встречно-параллельно включенных тиристор ж. И;звествы системы управления данным преобразователем з1,С41 , осуществляющие изменение несущей частоты модуляции преобразсюателя в функции его выходНОЙ частоты, включающие в себя задающий генератор, пересчетную скему с формироватепями модуляционных сигналов, схему управления предварительным однофазным инвертором и усилительно-развязьюаюшие узлы управления тиристорами коммутатора. Однако система управления 4 отличается повышенной точностью контроля выхойной частоты преобразователя в моме ты перехода от одного диапазона работы преобразователя к другсму, а также возможностью неоперативного изменения , частотного диапазона сигналов, сопровождения, поэтому ее будем рассматривать вкачестве прототипа системы управления преобразователем.. , Недостатком преобразователя постоянного напряжения в переменный (с так назьюаемым промежуточным звеном высокой частоты и указанной систа 1ой управления) является введение в силовую схему преобразователя датчиков направления тока нагрузки с соответствующими усилителями, а в каждый из шести усипятетп но-развязьшающих узлов управления тирис торами коммутатора по два формирователя коротких импульсов управления с вклю ченными на их входах схемами И, подключенных входами соответственно к датчикам тока, задающему генератору и схеме управления однофазным инверторе с целью выработки от дополнительных формирователей в дискретные моменты времени коротких импульсов для коммутации тирис торов коммутатора, обеспечиваклцих безав рийную работу инвертора на активно-индук тивную нагрузку. Это обстоятельство огра ничивает функдисиальные возможности пре образователя, так как определяет его реализацию и настройку как замкнутой системы, повышает требования к уровню помех устойчивости в связи с наличием обратны свяёей силовой схемы преобразователя и системы управления, что в свою очередь ограничивает величины формируемых напряжений, и кроме того, ограничивает диапазон регулирования выходной мощности преобразователя, особенно при переходе к малым значениям токов, в связи с необходимостью повышать для данного режима чувствительность датчиков. Наряду с этим известно использование в непосредственных преобразователях частоты 15 |бЗ для принудительной коммуташш импульсного источника запирающего напряжения, который подключается к выходам постоянного тока вентильных мостов коммутатора через разделительные вентили, и применение которого в рассматриваемом преобразователе позволит реализшать его как разомкнутую систему. Однако ни силовая схема преобразователя, ни его система управления не обладают необходимыми функциональными возможностями по его использованию. Целью настоящего изобретения $шляется расширение его функциональных возможностей. Указанная цель достигается тем, что в преобразователе постоянного напряжения в многофазное переменное, например, трехфазное, содержащем однофазный инвертор, входные зажимы которого подключены к шинам источника питания, а выходные зажимы подключены к первичной обмотке трансформатора,в котором каждая из трех пар вторичных обмоток трансформатора соёдвне- ны последовательно согласно; с последующим пере соединением общих точек и подключением соответс-гаенно крайних зажимов обмоток к входным зажимам каждой в отдельности фаз тиристорного коммутатора, собранных по схеме однофазного мостсвого управляемого выпрямителя, а также систему управления, выполненную в виде последовательно связанных между собой задающего генератора и схемы управления тиристорами инвертора, которая содержит усипитепьнО -развязьюающие узлы управления тиристорами коммутатора, связанные с задающим генератором через пересчетную схему с формирователями модулирующих сигнале и схемой управления тиристорами инвертора непосредственно, дополнительно введены в состав коммутатора три коммутирующих дросселя, подключенные парал 1ельно выходным зажимам каждой фазы коммутатора и содержащие промежуточный отвод для подключения нагрузки, распределительные вентили и импульсный источник запирающего напряжения, при этом входные зa)имы импульсного источника запирающего напряжения подключены к входаым зажимам однофазного инвертора, а выходные зажимы поочередно с помощью каждых двух последующих распределительных вентилей подключены к выходным зажимам каждой фазы коммутатора. С цепью упрощения устройства импульсный источник запирающего напряжения выполнен на основе конденсатора, зашунтированного последовательно подключенными диодом и вспо гогательным дросселем, при конденсатор через второй отсекающий вентиль и второй вспомогательный дроссель подключен ко входным , а через коммутирующий тиристор к выходным зажимам импульсного источника .запирающего напряжения. Кроме того, в состав системы управпэ ния введен бпок управления коммутационным тиристором импульсного источника запирающего напряжения, состоящий из последовательно включенных линии задерж ки и усилительно-развязьюающего узла и подсоединенный к выходу задающего генератора. При работе преобразователя в области низких и инфранизких частот второй отсекающий вентиль импульсного источника -запирающего напряжения выполнен неуправ ляемым, а при работе преобразователя в области повышенных частот он выполнен управляемым. На фиг. 1 приведена схема силовой части преобразователя постоянного напряжения в переменное многофазное, на фиг. 2 - система управления, на фиг. 3 приведены временные диаграммы работы устройства. Силовая часть преобразователя noдключaзvfый входными зажимами к шинам источника питания 1, 2 0|аяофааный инвертор 3, например, мостовсл, с ранный на полностью управляемых ttipHCторах 4, 5, 6, 7с диодным мостом 4 7 обратнсго тока, трансформатор 8 с одной первичной 9 и тремя парами вторич .ных обмоток 10-11, 12-13, 14-15, трехфазный тиристорный коммутатор 16, состоящий из трех однофазных мостовых управляемых выпрямителей 17-2О, 2124, 25-28, три коммутирующих дросселя 29, ЗО, 31, содержащие промеиогточные отводы для подключения нагрузки, соедиу венной например, в звезду, импульсный истспник запирающего напряжения 32, включающий в свой состав, коммутирующий конд«1сатор 33, который шунтирсван последовательно включенными диодсял 34 и , вспомогательным дросселем 35 и пошспк чен к шинам 1, 2 источника питания через отсекающий вентиль 36 и второй вспомогательный дроссель 37 и, кроме того, верхней пластиной подсоединен через коммутирующий тиристор 38 к анодам распределительных вентилей 39-41 и нижн пластиной - к катодам рас пред епитепь ных вентилей 42-44. Ниже перечисляемые узлы образуют систему управления. Задающий гшератор 45 состоит из,непосредс1венно задаюшего генератора 46 формирующего, регулируемую по частоте последовательность коротких импульсов, делителя частоты , представленного в виде трех последовательно включенных триггеров 47, 48,- 49 и блока переключения тактирующих импульсов 50, в состйв которого входят: схйма выраб.отки 51 сигналов сопровождения F, три схемы И 52, 53, 54, схема . ИЛИ 55, пиния задержки 56 и однс ибратор 57 с двумя выходами. Пересчетная схема 58 выполнена в ввдв регистра сдвига (PC)и логических элементов ИЛИ 59 - 64. Схема управления однофазным инвертором 65 состоит из триггера 66, двух формир жателей широких импульсов 67, 68, с включенными на их входах схемами И 69, 70 и трех формирователей корот ких импульсов управления 71-73, из которых два последних включены через последовательно включенные линии задержки 74, 75. Блок управления тиристор импульсн нх) источника запирающего напряжения 76 состоит из последовательно включенной пинии задержки 77 и усилитепьно-развязьгаающего узла управления 78. Каждый из усилитепьно-развязьшающих Уапев управления тиристорами к(мутатора 79 - 84 состоит из формирователей широких импульсов управления тиристорами коммутатора с включенными на их входах схемами И. Описываемый преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное работает следующим образом. Непосредственнд задаюпшй генератор 46 системы управления формирует последовательность импульсов, которая поступает на депитепь частоты. Делитель частоты 47 - 49 в свою очередь формирует три последовательности импульсов с частотой 24 f , 12 , 6f , где - выходная частота пре образоватепя, которые представлены соответс-шенно на фиг. За, б, в. Импульсы с выхода депитепя частоты с частотой 6 f поступают} на шестиячейковый регистр сдвиге (PC), на выходах которого ны шесть схем формирователей модулир к&1их сигналов 59-64. На выходах схем 59-64 формируется трехфазная система напряжений, сдвинутых между собой на 120° . На фиг. Зг, д, е приведены модулирующие напряжения на выходах нечет ных схем ИЛИ. Соответствующие модулирующие напряжения на выходах четных схем ИЛИ находятс в протдаофазе приведенньшг напряжением. Конечный выход делителя частоты 6f и его промежуточные отводы I2f , 24 подключены ко входу схемы ИЛИ 55 блока переключения тактирующих сигнале через схемы И 52-54, управление кото778рыми осуществляет скема выработки сиг4налов сопровождения Р. На вход скемы выработки сигналов сопровождения подключены выходы непосредственно задающего генератора и делителя частоты. В общем случае схема выработки сигнале сопровождения включает в себя преобразователь частота-код, наборники кодов граничных частот переключения и комбинационную схему выработки непосредственно сигналов сопровождения диапазонов работы инвертора. Сигналом с выхода депитепя частоты синхронизируется выработка команд сопр жождения. При этом в верхнет диапазоне частот схема выработки команд сопрсжождения блока 50 формирует единичный сигнал на выходе Р1 и нулевой на выходе Р2 - в результате на вход схемы ИЛИ 55 поступают только импульсы с частотой в . В среднем диапазоне час, тот на выходе Р1 формируется нулевой сигнал, а на выходе Р2 единичный, - в результате на вход схемы ИЛИ 55 поступают только импульсы с частотой 12 . В нижнем диапазоне частот на выходах Р1 и Р2 формируются нулевые сигналы, а так как на схему И 54 (см. фиг. 2) поданы инверсные сигналы, Р1 и P2| то на вход ИЛИ 35 поступают импульсы с частотой 24 f , Таким образом, схема выработки команд сопровождения изменяет в функции выходной частоты инвертора частоту следования импульс ж с выхода схемы 55. Кроме того, ее выходы Р1 и Р2 поданы на вход однсеибратора 5 7, тем самым изменяется длительность несущих сигналов, формируемых одн(жибрато ром. .Для примера рассмотрим работу преобразователя в диапазоне средних частот. В этом случае с выхода блока переключения тактирующих сигнале 50 (выход схемы 55) системы управления выходные импульсы с частотой 12 f поступают на схему 65 управления однофазным инверто ром. Графики напряжений на одном из выходо триггеров 66 и на первом выходе одновибратора 57 приведены на фиг. Зж,з Триггер 66 и одновнбратор 57 управляют непосредственно работой схем ссжпа- дения 69, 70 блока 65, на выходах которых включены формирователи широких импульсо 67-68, осуществляющие управление силовыми тиристорами 4, 5, 6, 7 однофазного инвертора . По второму выход рднсвибратора формируется импульс, соютветствующий заднему фронту напряжения, снимаемого с однозибратора, который через линию задержки 74 поступает на 58 формирователь коротких импульсов 72 и через линию задержки 75 поступает на 73.- Таким образом, на выходах 67, 68, 71-73 формируется необходимая послэдо вательность широких и коротких импульсов управления однофазным инвертором. Короткие импульсы управления с блока 71 следуют на анодную пару 4, 6, ас блока 72 - на катодную пару тиристоров 5, 7 однофазного инвертора с цепью восстановления их управляющих свойств с помощью узпов их принудительного выключения. Длительность сигнала каждой из линий задержек 56, 74, 75 должна соот ветствовать времени восстановления тиристоров, испульзуемых в инверторе. На фиг. 3 и приведено напряжение, формируемое на выходе однофазного инвертора, где указана диаграмма включения силовых тиристоров. Из нее следует, что во время формирования нулевых пауз, по истечению времени восстановления тиристоров 5 или 7, оюуществляется запуск анодной пары силовых тиристоров 4, 6 с целью закорачивания первичной обмотки трансформатора по контуру 8-4-6, либо 8-6-41 благодаг ря чему нбзависимо от параметров нагрузки и напряжения токо® возврата реактивной, энергии из нагрузки в источник на нагрузке формируется нулевое напряжение. Перейдем к рассмотрению работы тиристорного коммутатора 16 преобразователя, на примере одной из фаз .коммутатора, собранной на тиристорах 17-20. Выработка импульсояз управления, следующих на тиристоры 17-20, осуществляется дву-+мя идентичными блоками 79, 80 с формирователей широких импульсов управления. В состав блоков 79 и 80 входят формирсоатели 85-88 и схемы совпадения 89-92, которые управляют формирователями широких импульсов управления. Первые входы схеМй9-92 запитаны от первого выхода одновибратора, вторыевходы поочередно подключены к выходам триггера 66, а третьи - к выходам формирователей модулирующих сигналов пересчетной схемы. Импульсы управления, поступающие на тиристоры 17-20 с формирователей 85-88, приведены на фиг. 3м, н, о, р. При этом, в соответствии с напряжением, формируемым на выходе однофазного инвертора и поступающими импульсами управления на тиристоры 17-20, потенииал выходного зажима данной фазы инвертора представляет собой шесть последовательностей положит-ельных импульсов в одной полуволне и шесть последовательностей импульсов во второй полу97вопне (см. Kpjroyro. потенциапа выходного зажик а на фиг. 3с). Достижение восстановления управлявмых свойств тиристоров коммутатора преобразоватепя в промежутках времени меж ду формированием импульсов на нагрузке достигается импульсным источником запираюшего напряжения 32 преобразователя. В исходном состоянии конденсатор 33 блока 32 заряжен до напряжения источника питания инвертора через отсекающий вентиль 36 и вспомогательный дроссель 37 с указанной на фиг. 1 полярностью. KoMNjyтирующий тиристор 38 закрыт. Бпок управления 76 тиристором 38 системы управления подключен к выходу схемы 55 блока 50 переключения тактирующих сигнапов. Импульсы управления, следующие на тиристор 38 блока 32 преобразсжа Геля, приведены на фиг. 3 п, из которого можно видеть , что они приходят, опережая открывающие импульсы управления на тиристоры коммутатора на время равное времени восстановления тиристоров, Это время задается выбором параметров линии задержки 56, включенной на вксхде одновибратора 57 блока переключения тактирующих сигналов задающего генератора 45. С приходом открывающего импульса управления на -гаристор 38 напряжение конденсатора через тиристор 38 и распределительные вентили 39-44 приклаДьюается к дросселям 29-31 и заодно ко всем тиристорам коммутатора. В соответствии с приведенными графиками напряжений на фиг. 3 можно видеть, что при подаче открывающего импульса на тиристор 38 источник питания инвертора отсечен от промежуточного трансформатора за счет выключенного состояния тиристорсв 5, 7 однофазного инвертора. Тем самым упрощается и в значительной степени повышается надежность принудительного выключения тиристоре коммутатора, так как коммутация осуществляется при нулевом напряжении на обмотках 1О-15 трансформатора 9, т. е. без противодей1ствующего включению источника п итания, Токи трехфазной нагрузки при этом считая для большинства практических случаев ее характер активно-индуктивным, замкнутся через конденсатор блока 32, через дроссели 29-31, распределительные вентили 39-44 и тиристор 38, осуществ ляя тем самым ее перезаряд до обратной полярности. Спустя время восстановления тиристоров коммутатора, согпасно фиг. Зн, м, о, р| вновь па тиристоры коммутатора 2510 поступают открьюающие импупьсы на.-очеч редную пару тиристоров, а также согпас но графику, приведенному на фиг. Зк, по5шляется напряжение на выходе предварительного инвертора напряжения и тем самым на вторичных обмотках промежуточного трансформатора. При этом -токи на. грузки переводятся в цепь вторичных обмоток трансформатора, а на нагрузке формируется очередной импульс напряжения. В дальнейшем конденсатор 33 заканчивает перезаряд до противоположной полярности напряжения, той, которая показана на фиг. 1. Затем конденсатор пе-. резаряжается через вспомогательный дроссель 35 и диод 34 до исходной полярности напряжения, после чего происходит его дозаряд от источника питания через отсекающий вентиль 36 и вспомогательный зарвдный дроссель 37. Импульсный источник запирающего напряжения готов к очв-; редному срабатыванию. При необходимости псжышения рабочей частоты преобразователя используют вместо отсекающего вентиля 36, тиристор, а при низких частотах вентИль 36 следует использовать неуправляемым. Из рассмотрения работы импульсного источника запирающего напряжения преобразоватвля можно видеть, что наличие цепочки, состоящей из диода 34 и дросселя.35, шунтирующей конденсатор, позволяет ограничить раскачку напряжения на конденсаторе и тем самым стабилизирсюать ее величину на урсене значения напряжения источника питания. Это связано с тал, что мы имеем вначале разряд конденсатора на дроссель, в результате которого полярность на конденсаторе изМеняется до противоположной, затем перезаряд до исходной полярности и после чего только следует дозаряд от источника питания. Наличие импульснсяО источника запирающего напряжения позволяет восстанавливать управпяющ1те свойства тиристоров коммутатора вначале каждого периода несущей частоты модуляции кривой выходного напряжения, тем самым достигается формирование преобраз жателем кривой выходного напряжения путем широтно-импульсной модуляции по прямоугольному закону независимо от изменения параметров и харак тара нагрузки. Линейные и фазные напряжения на нагрузке приведены соответственно на фиг. 3т, ф. Рассмотрена работа инвертора в области среднего диапазона выходной частоты инвертора. В областях верхних и нижних частот изменяется несущая частота спедех вания импульсов, а также длительность формируемых импульсов, однако принцип работы остается неизменным. Оснсвными отличительньа1И особенностями предложенного преобраарватепя посто янного напряжения в многофа зное перемен ное являются следующие: в преобразователе исключен принцип формир юания вспсяло гатепьных импульсе, требующий введения датчике направления токсе в силоеую цепь ксымутатора, т&л самым упрощена в значительной степени система управления, Так, в каждом из шести усилйтепьно-развяэьгаающих уапо& управления исключены по два формироватепя коротких импульсов управления торис-горами; исключение датчиков направления тока из силсжрй цепи преобраздаателя позволило исключить ( ционапьные обратные связи силовой схамы и системы управления и тем самым увеличить помехсустойчивость и, соответственно, надежность работы заявляемого устройства исключение обратных связей по току позволило реализовать заявляемый преобразователь как разомкнутую систему что упр«цает процесс наладки в отдельности каждого ИЗ звеньев преобраздаателя, системы управл йия, кЬммутационной схемы и работы каждой фазы тиристорноГо кслшу атора; значительньтм повышением надежности работы прес разователя яо&ляется осуществление работы импульсно го источника запирающего напряжения тиристоре коммутатора в мамент ртсеченияистеучника питания преобразешателя от П{зомежуте чного трансформатора, за счет чего всэсстановление управляющих свойств тирристоров коммутатора происходит при нулевом противодействующем наЬряжении; достоинством предложенного преобразователя Является использование одной е)бщей коммутационной схемы для всех тиристорсж трехфазного коммутатора; положительным свойством импульсного ис/готника запирающего напряжения является отсутствие необходимости сброса избыточной энергии и стабилизации напряжения на конденсаторе на уровне напр$гжениЯ источника питания за счет работы по следующей схеме: разряд конденсате ра на коммутирующие дроссели и соотiseTtiiaSeHHO перезаряд до протт1вопопожной полярности; перезаряд конденсатора до исходной полярност;и напряжения с псмепць вспомогательной шунтирУющей цепи, дозарад до напряжения источника питания. Формула изобретения 1.Преобразователь постоянного напряжения в многофазное переменное, содержащий однофазный инвертор, входными выводами подключаемой к шинам источника питания, а выходными - к первичной обмот ке трансформатора, в котором каждая из трех пар вторичнь1х обмоток трансформатора соединены последовательно-согласно, с последуйщим пересоединением общих точек и подключением соответственно крайних выводе обме)ток к входным зажимам каждой из фаз тирис торного коммутатора, собранных по схеме однофазного мостового управляемого выпрямителя, а также систему управления, выполненную в виде пехзледовательно ежязанных между собой задаюп его генератора и схемы управления ти|жсторами инвертора, ке торая содержит усипйтельне -развязывающие уэ ля управления тиристорами коммутатора, связанные с задающим генератором через пересчетную схему с фо Яу1ирователями модупирующих сигналов и схемой управления тиристорами ИЕСвертора непосредственно, отличающийся т&А, что, с целью расширения функциональных. возмо нсстей устройства, в коммуtaTOp введены три коммутирующих дросселя, подключенных параллельнр выходным зажимам каждой фазы коммутатора и содержащих промежуточный отвод для подключения нагрузки, распредвпительнь е вентили и им«пульсный источник запирающего напряжения, при этом входные зажимы импульсного исте}чника запирающего напряжения подключены к входным зажимам однофазного инвертора, а выходные зажимы пеючередг но с пеяляпью каждыгх двух последующих распределительных вентилей подключены к выходным зажимам каждой фазы ке ммутатора. 2.Преобразователь по п. 1, о т л ич ающийся тем, что, с целью упрощения устройства, импульсный источник запирающего напряжения на. осHCBQ конденсатора, зашунтирежанного пеюледежательно подключенными диодом и вспе)могательным дросселем, при этом конденсатор через второй отсекающий вентиль и второй вспомогательный дроссель подключен ко входным.зажимам, а через коммутирующий тиристор - к выходным зажимам импульсного источника запирающего напряжения, 3.Преобразсюатель по пп. 1, 2 о т- личающийся тем, что, с целью упрощения устройства, в сос/гав системы

управления введен блок управления комыутационным тиристором импульсного источника .запирающего напряжения, состоящий на поспедсюательно включенных линии задержки и усилительно-развязывающего узла и подсоешненный к выходу зашющего генератора,

запирающего напряжения выполнен управляемым.

Источники информашш, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 254638, кл, Н О2 М 7/52, 1970.

кл. Н 02 р 13/18, 1976.

кл. Н 02 р 13/18, 1977. 5. Авторское свидетельство СССР № 314271, кл. Н 02 М 1/08, 1971,

6. Авторское свидетельство СССР № 458936, кл. Н 02 М 7/52, 1975. f6