Трехфазный автономный инвертор /его варианты/ Советский патент 1981 года по МПК H02M7/515 

1

Изобретение относится к преобразовательной технике и, в частности, к преобразователям энергии постоянного тока, особенно от низковольтных источников, в энергию переменного трехфазного тока.

Известны схемы преобразователей, в которых ток в каждый момент вре.менипротекает не более чем через один вентиль 1 и 2.

Однако инвертор тока по схеме 2 имеет значительную установленную мощность конденсаторов и реакторов.

Наиболее близкимк изобретению является автономный инвертор по кольцевой схеме (2).

Однако коммутирующа я способность параллельных нагрузке коммутирующих конденсаторов ограничивает выходную .мощность инвертора.

Целью изобретения является повышение выходной мощности.

Цель достигается тем, что в трехфазном автономном инверторе, содержащем шесть основных тиристоров, шунтированных обратными диодами и соединенных с первичными обмотками трехобмоточного преобразовательного трансформатора по кольцевой

схеме, причем общие точки первичных обмоток соединень со входными выводами, а также узел коммутации, который выполнен общим для всех тиристоров и состоит из двух групп коммутирующих тиристоров, каждая из которых содержит четыре тиристора,

причем в одной группе анод одного из тиристоров подключен к положительному входному выводу, а катод соединен с анодами трех распределительных тиристоров, катоды которых подключены к общим точкам

j(j катодов основных тиристоров, а в другой группе анод одного из коммутирующих тиристоров соединен с катодами распределительных тиристоров, аноды которых подключены к общим точкам анодов основных тиристоров, а между анодными и кагодJ5 ными выводами распределительных тиристоров включена последовательная цепочка из коммутирующего конденсатора и реактора, имеющего вторичную обмотку, подключенную через обратный вентиль ко входным выводам, кроме того, последовательно

20 с обратными диодами могут быть включены

дополнительные коммутирующие реакторы.

Указанная цель достигается также тем,

что узел коммутации может быть выполнен

в виде индивидуальных rpynrt коммутирующих тиристоров, подключенных параллельно каждому из осиовных тиристоров и состоящих каждая из четырех коммутирующих тиристоров, соединенных в мостовую схему с. разомкнутыми выводами постоянного тока и коммутирующим конденсатором в диагонали переменного тока, причем тиристоры двух противоположных плеч разомкнутого моста соединены с основными тиристорами, а двух других противоположных плеч со входными выводами через реактор, имеющий вторичную обмотку, подключенную через обратный вентиль (в частности и тиристор) ко входным выводам.

При низком входном напряжении коммутирующие узлы для повышения надежности коммутации могут быть подключены к отдельному источнику повышенного напряжения.

На фиг. приведена схема инвертора с общим устройством коммутации; на фиг. 2 - вариант схемы инвертора с индивидуальной коммутацией; на фиг. 3 - временные диаграммы работы инверторов.

Инвертор (с общей коммутацией) содержит трехобмоточный преобразовательный трансформатор с одной вторичной (повышающей) и двумя первичными обмотками, соединенными в две одинаковые звезды. Общие точки (начала обмоток) обеих звезд 1 и 2 подключаются к источнику питания. В первую фазу трансформатора входят первичные обмотки 3 и 4 и вторичная обмотка 5, во вторую - обмотки 6-8, в третью 9-П. Основные тиристоры 12-17 соединены с трансформатором по кольцевой схеме. Встречно-параллельно тиристорам подключены обратные диоды 18-23. Для выключения тиристоров используется коммутирующий реактор с обмотками 24 и-25 и конденсатор 26, которые тиристорами 27 и 28 соединяются с источником питания, а через распределительные тиристоры 29-34 - с основными тиристорами. Вторичная обмотка 24 коммутирующего реактора подключена к источнику питания через диод 35. Кагрузка инвертора подключается .к выходу 36-38.

При необходимости последовательно с каждым обратным диодом может быть включен коммутирующий реактор (на фиг. 1 условно показан один из иих рядом с диодом 23), причем в этом случае обмотка 25 должна быть шунтирована диодом 39.

Кольцевой инвертор напряжения может использоваться при длительности проводящего состояния основных тиристоров л 60 эл. град, или А 120 эл. град (при активной нагрузке, т. е. 1). Режим Л 120° предпочтителен, так как в этом режиме меньше потери и выше КПД, а форма кривой выходного напряжения ближе к синусоидальной н не зависит от нагрузки (что соответствует режиму Л - 180 мостового инвертора напряжения). Возможно регулирование действующего значения выходного напряжения путем многократного включения и выключения основных тиристоров в течение периода.

Порядок подачи управляющих импульсов иа основные и коммутирующие тиристоры инвертора с общим устройством коммутации (фиг. 1) при Л 120° и однократном включении и выключении осиовных тиристоров показан на -фиг. 3 сверху. На одной в вертикальной линии даны номера тиристоров, для которых импульсь начинаются одновременно.

Длительность импульсов на основных тиристорах должна быть 60° для нормальной работы инвертора при любых созф нагруз ки. Коммутирующие тиристоры управляются короткими импульсами.

На фиг. 3 показаны кривые выходных

иапр 1жений и токов вторичных обмоток 5,

8 и I1 для кольцевого инвертора напряже1) ния при нагрузке с costp cos 30° без учета

процессов коммутации.

При активно-индуктивной нагрузке инвертора, в обмене реактивной энергии между фазами нагрузки и с источником питания участвуют обратные диоды. На нижнем графике фиг. 3 даны номера диодов и интервалы их проводимости для того же costp нагрузки. Когда включен диод, допустим 18, то соответствующий ему тиристор 12 выключен. Максимальиая длительность работы д диода 60°, Сумма времен проводимости диода и тиристора составляет всегда 120°.

Искусственная коммутация происходит следующим образом.

Пусть включен тиристор 13 и требуется выключить тиристор 12. Спустя примерно 5 30° с момента включения тиристора 13 подаются управляющие импульсы на тиристоры 27 и 28, и конденсатор 26 заряжается от источника питания через обмотку реактора 25. Длительность заряда должна быть меиьще 30°, и к моменту окончания работы ти ристора 52 тиристоры 27 и 28 должны выключиться.

Для выключения тиристора 12 подаются управляющие импульсы на тиристоры 29 и 30. При этом конденсатор разряжается (и 5 перезаряжается) по контуру: обмотка реактора 25, тиристор 30, диод 18, тиристор 29, конденсатор 26. К тиристору 12 прикладывается отрицательное напряжение.

При включении тиристоров 27 и 28 напряжение на конденсаторе складывается с напряжением источника питания, и в обмотке 25 возникает стол сильное нарастание тока, что ЭДС индукции в обмотке 24 превышает напряжение питания. При этом открывается диод 35 и избыток энергии контура коммутации отдается в источник питания. .

Если используются отдельные коммутирующие реакторы, включенные последоваельно с обратными диодами, то заряд коненсатора и возврат избытка энергии просходит так, как уже описано, причем диод 9, подключенный к обмотке 25, закрыт, а процессе разряда вместо обмотки 25 участвует отдельный реактор, ток в который поается через диод 39. 1ри этом к тиристору, который требуется выключить, прикладывается напряжение конденсатора и надежность коммутации увеличивается.

Кольцевой инвертор напряжения с индивидуальной коммутацией отличается от описанного инвертора тем, что содержит шесть коммутирующих реакторов 40-45 (фиг. 2), включенных последовательно с обратными диодами 18-23, и шесть коммутирующих конденсаторов 46-51. Каждый кон-, денсатор, например 46, с помощью двух коммутирующих тиристоров 52 и 53 (54-63) подключен к одному из основных тиристоров 12, а через другие два -тиристора 64 и 65 (66-75) соединен с источником питания, причем к одному из полюсов источника коммутирующее устройство подключено через обмотку 76 двухобмоточного реактора, служащего для возврата избыточной энергии контуров коммутации в источник питания, для чего вторичная обмотка 77 подключена через диод 35 к источнику (анод диода к отрицательному полюсу)./

Работа предлагаемого инвертора отличается, в основном, лишь тем, что каждый конденсатор используется для выключения только одного основного тиристора. Порядок подачи управляющих импульсов на тиристоры инвертора с индивидуальной коммутацией дан на фиг. 3 внизу. Процессы при заряде и разряде конденсаторов протекают аналогично инвертору (фиг. 1) с общим конденсатором и шестью коммутирующими реакторами.

Инверторы с общей и индивидуальной коммутацией, как и в случае мостовой схемы, имеют каждый свои преимущества и неостатки и, соответственно, области применения. Например инвертор с индивидуальной коммутацией при однократном включении основных тиристоров за период лучше подходит для получения более высоких часот выходного напряжения, а инвертор с общей коммутацией -. для низких частот и . п.

В том и другом инверторе для питания коммутирующего устройства может использоваться отдельный маломощный источник повышенного напряжения. В инверторе по фиг. 1 для этого анод тиристора 27 подключается к положительному полюсу этого источника, а не к точке 1, в инверторе по фиг. 2 ко второму источнику подключается начало обмотки 76. Отрицательный полюс второго источника подключается к точке 2.

Вместо диода 35 можно включить тиристор, что даст возможность задержать момент начала возврата энергии из контура коммутации. За счет этого можно увеличить ам плитуду напряжения на конденсаторе н автоматически поддерживать требуемую- ее величину при изменении тока нагрузки н напряжения питания.

. В кольцевом инверторе среднее значение тока через вентиль вдвое меньше, чем в мостовой, при той же мощности в нагрузке и напряжении питания. Это дает возможность либо уменьшить установленную мощность вентильного блока (отказаться от параллель

ного соединения одинаковых вентилей), либо увеличить КПД инвертора.

Если использовать те же тиристоры и диоды, что и в мостовом инверторе, то, как показывает ориентировочный расчет, потери

энергии в вентилях в кольцевом инверторе более чем вдвое меньще потерь в вентилях в мостовом инверторе. Потери в преобразовательном трансформаторе будем считать в обоих случаях одинаковыми. Тогда, если при мостовой схеме потери в вентилях составляют, допустим, мощности нагрузки, переход в кольцевой схеме позволит повысить КПД инвертора на 5%.

Удельный вес потерь в вентилях в общей сумме потерь, как известно, увеличивается при уменьшении напряжения питания инвертора. В связи с этим особенно эффективным будет использование кольцевого инвертора напряжения при работе с низковольтными источниками питания, в частности, с МГД-генераторами, топливными элементами и др.

Формула изобретения

1. Трехфазный автономный иивертор, содержащий шесть основных тиристоров, шунтированных обратными диодами и соединенных с первичными обмотками трехобмоточного преобразовательного трансформатора по кольцевой схеме, причем общие

точки первичных обмоток соединены со входными выводами, а также узел коммутации, отличающийся тем, что, с целью повышения выходной мощности, узел коммутации выполнен обшим для всех тиристоров и состоит из двух групп коммутирующих тиристоров, каждая из которых содержит четыре тиристора, причем в одной группе анод одного из тиристоров подключен к положительному входному выводу, а катод соединен с анодами трех распределительных тиристоров, катоды которых подключены к общим точкам катодов основных тиристоров, а в другой группе анод одного- из коммутирующих тиристоров соединен с катодами распределительных тиристоров, аноды которых подключены к общим точкам

анодов основных тиристоров, а между анодными и катодными выводами распределительных тиристоров включена последовательная цепочка из коммутирующего конденсатора и реактора имею1Цего вторичную обмотку, подключенную через обратный вентиль ко входным выводам.

2.Инвертор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности коммутации при низком входном напряжении, он дополнительно снабжен коммутирующим реактором, каждый из которых включен последовательно с соответствующим обратным диодом.

3.Инвертор, содержащий щесть основных тиристо|5ов, щунтированных обратными диодами и соединенных с первичными обмотками трехобмоточного преобразовательного трансформатора по кольцевой схеме, причем общие точки первичных обмоток соединены со входными выводами, а также узел коммутации, отличающийся тем, что, с целью повыщения выходной мощности, ука-занный узел коммутации вь| 1олнен в виде индивидуальных групп коммутирующих тиристоров, подключенных параллельно каждому из основных тиристоров, и состоящих из четырех коммутирующих тиристоров, соединенных в мостовую схему с разомкнутыми

выводами постоянного тока и коммутирующим конденсатором в диагонали переменного тока, причем тиристоры двух противоположных плеч разомкнутого моста соединены с основными тиристорами, а двух других противоположных плеч со входными выводами через реактор, имеющий вторичную обмотку, подключенную через обратный вентиль ко входным выводам.

4.Инвертор по пп. 1-3, отличающийся тем, что в качестве упомянутого обратного вентиля использован тиристор.

5.Инвертор по пп. 1-4,, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности коммутации при низком входном напряжении, коммутирующие узлы подключены к отдельному источнику повыщенного напряжения.

Источники информации, | ринятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 0 № 265254, кл. Н 02 М 7/515, 1970.

2.Авторское свидетельство СССР № 529532, кл. Н 02 М 7/515, 1978.