Параллельный инвертор тока Советский патент 1982 года по МПК H02M7/515 H02P13/18 

1

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к инверторам тока, и может быть использовано при построении автономных источников питания, преобразователей частоты и статических компенсаторов pea кт ив ной мощное т и.

Известны параллельные инверторы тока, выполненные в виде тиристорного моста и компенсатора, состоящего из последовательно соединенного дросселя и встречно-параллельно включенных тиристоров 11, 21 и t3l.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является инвертор, состоящий из тиристорного моста, на выход которого подключены конденсатор и компенсатор, выполненный в виде цепочки из последовательно соединенных линейного дросселя и бивентильного силового ключа и системы управления, включающей в себя задающий генератор (ЗГ), фазосдви(Гающий узел (ФСУ) и первый и второй усилительно-развязывающее узлы УРУ I и УРУ 2 СЗ.

Основным недостатком известного инвертора является значительное ухудшение гармонического состава выходного напряжения инвертора при широком диапазоне изменения нагрузки. Возникновение искажений выходного напряжения инвертора связано с тем, что тиристорно-дроссельный компенсатор потребляет несинусоидальный ток, т.е. по отношению к выходным зажимам инвертора является как бы генератором высших гармоник тока, которые, замыкаясь в цепи нагрузки, вызывают искажения выходного напря- жения-инвертора. При этом процентное содержание высших гармонических зависит от величины угла отпирания тиристоров компенсатора и от диапазонов его изменения, определяемого пределами изменения нагрузки инвертора. Определяющее влияние на искажение выходного напряжения в однофазных . схемах автономных инверторов оказывает третья гармоническая тока компенсатора. Так, если в трехфазных схемах третья гармоника тока компенсатора не поступает во внешнюю цепь вследствие соединения фазных цепей компенсатора в треугольник, то в однофазных схемах наибольшее абсолютное значение тока третьей гармоники, генерируемое компенсатором, может достигать значительной величины, существенно искажая форму выходного напряжения (коэффициент гармоник Кг 26 - 30). Цель изобретения - улучшение гармонического состава выходного напря.жения однофазного автономного инвертора тока с компенсатором реактивной мощности при широком диапазоне изменения нагрузки. Поставленная цель достигается тем что параллельный инвертор тока, содержащий тиристорный мост с подключенным между его выходными выводами конденсатором и тиристорно-дроссельным компенсатором, выполненным в вид основной цепочки из последовательно соединенных линейного дросселя и управляемого ключа с двухсторонней про води.мостью, например, в виде встречно-параллельно включенных, тиристоро а также блок управления, включающий в себя задающий генератор, выход которого через последовательно соедине ные фазосдвигающий узел и первый уси лительно-развязывающий узел подключен к управляющему входу ключа упомянутой цепочки и через второй усили тельно-развязывающий узел - к управляющим входам тиристоров инверторного места, снабжен (п - 1) числом упо мянутых аналогично выполненных цепочек и блоком управления этими цепочками, состоящими из (п - 1) каналов, выходами подключенных к управляющим входам соответствующих ключей (п - 1 цепочек, первый из этих каналов выпо нен в виде последовательно-соединенных датчика тока основной цепочки, формирователя переднего фронта этого тока, триггера со счетным и установочным входами, логического элемента 2И-НЕ, RS-триггера и усилительноразвязывающего узла, а каждый из последующих (п - 2) идентично выполнен ных между собой каналов содержит пер вый логический элемент 2И и последовательно соединенные между собой второй логический элемент 2И-НЕ с прямым и инверсным входами, RS-триггер и усилительно-развяЪывающий узел, причем входы формирователя переднего фронта тока соединены с выходами первого усилительно-развязывающего узла, его первый выход соединен с R-входам RS-триггера первого канала и с одним из входов первых логических элементов 2И каждого и (п - 2) идентичных каналов, второй его выход подключен к одному из входов логического элемента 2И-НЕ первого канала, второй вход которого соединен с прямым выходом триггера со счетным и установочным входами, подключенными к третьему и четвертому выходам упомянутого формирователя, выход логического элемента 2И-НЕ первого канала соединен с S-входом RS-триггера этого же канала и с инверсными входами вторых логических элемент -гв 2И-НЕ остальных (п -2) идентичных каналов, в каждом из которых выход первого логического элемента 2И соединен с R-входом RS-триггера, при этом выход RS-триггера первого канала соединен с другим входом первого логического элемента 2И-НЕ второго канала, а в (п - 2) идентичных каналах выход RS-триггера каждого предыдущего канала соединен с другим входом первого логического элемента 2И-НЕ каждого последующего канала, На фиг. 1 представлена принципиальная схема силовой части и системы управления инвертором; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие принцип работы схемы инвертора; на фиг. 3 - зависимости изменения коэффициента гармоник в функции относительной величины проводимости нагрузки инвертора. Инвертор (фиг. 1) содержит мост на вентилях 1- с конденсатором 5 на выходе, а также тиристорно-дроссельный компенсатор из п цепочек равной мощности. ОсноЕная цепочка содержит линейный дроссель 6 и силовой ключ, выполне ный в виде встречно-параллельно включенных тиристоров 7 и 8, вторая и последующие цепочки содержат линейный дроссель 9 и силовой ключ, выполненный, напримерj на основе симистора 10. Система управления компенсатора состоит из датчика 11 5 тока основной цепочки, формирователя 12 переднего фронта, выполненного в виде одновибраторов, триггера 13 со счетным и установочным входами логического элемента, 2И-НЕ 14, RS-триггера 15, усилительно-развязывающего узла 1б, а также (п - 2) идентичных каналов, каждый из которых содержит первый логический элемент 2И 17, второй логический элемент 2И-НЕ 18 с прямым и инверсными входами, RS-триггер 19 и усилительно развязывающий узел 20. На фиг. 2 приведены временные ди аграммы процессов в квазиустановившемся режиме: тока в дросселе 6 основной цепочки компенсатора (а), напряжения на выходе инвертора (б), входного и выходного сигналов датчика 11 тока основной цепочки (в и г) импульсов, поступающих на входы формирователя 12 переднего фронта {д и е), импульсов, поступающих на синхронизирующий вход триггера 13(з) и на первый вход логического элемента 1А (ж), а также выходного сигнала триггера 13 (и). Так как компенсатор работает совместно с инвертором тока, то для обеспечения коммутационной устойчивости последнего при любой величине нагрузки в заданном диапазоне должно выполняться условие (QCK-QH- LB -QLK V)/P,, (l) где Q - реактивная мощность ко мутирующих конденсаторов инвертора; РН и е. -соответственно активная и реактивная мощность нагрузки (знак плюс соответствует емкостной а минус - индуктивной нагрузке); QL - эквивалентная реактивная мощность основной цепочки компенсатора; QL - реактивная мощность каждой из остальных / . п - ) цепочек силово части компенсатора; V - число включенных из об щего числа (п - 1) цепочек при данной величине нагрузки (о 4 Vi 4{п - 1); п - заданное значение угла запирания инвертора. 46 Из соотношения (1) можно получить выражение для величины , т .е. определить число цепочек компенсатора, которые должны быть включены (отключены) при данной нагрузке для обеспечения коммутационной устойчивости инвертора. Из анализа схемы силовой части инвертора (фиг. 1) и соотношения (1) следует, что при любой мощности нагрузки, превышающей знамение мощности одной цепочки, компенсатор потребляет суммарный ток, состоящий из несинусоидального тока основной цепочки и суммы практически синусоидальных токов, включенных в данный момент V цепочек. При этом процентное содержание тока третьей гармоники относительно тока первой ячейки остается таким же, как и в известной схеме, однако оно значительно уменьшается в суммарном токе, потребляемом всеми включенными в данный момент цепочками компнсатора. Отсюда следует, что суммарный ток компенсатора все менее искажается по мере увеличения общего числа п и числа включенных V цепочек компенсатора. Схема (фиг. 1) системы управления (п - 1) силовыми цепочками компенсатора реализует описанные выше особенности работы компенсатора совместно с инвертором тока. Так как принцип работы основной силовой цепочки в предлагаемой схеме и компенсатора в известной схеме идентичны, то здесь рассмотрим лишь принцип работы остальных цепочек силовой части компенсатора и системы управления ими. В основу работы компенсатора положено следующее. Поскольку основная цепочка силовой части компенсатора остается постоянно подключенной (угол управления тиристорами оС меняется плавно), то при изменении нагрузки изменяется соотношение реактивных мощностей в системе компенсатор-инверторо Так клк при любой величине нагрузки в заданном диапазоне должно выполняты ся соотношение (1), то необходимо обеспечить подключение определенного числа цепочек при увеличении нагрузки и отключение их при уменьшении последней. Пусть, например, величина реактивной мощности нагрузки будет меньше реактивной мощности одНОИ силовои цепочки компенсатора. В этом случае при -включенной основной цепочке, работающей с определенным углом оС , остальные (п - 1) цепочек будут отключены. 9tOMy квазиустановившемуся режиму соответствуют временные диаграммы (фиг. 2). При этом RS-триггер 15 vi RS-триггеры.19 всех (п - 2) каналов системы управления находятся в выключенном состоянии, вследствие чего на уп равляющих электродах силовых ключей 10 отсутствуют управляющие сигналы. При увеличении нагрузки угол управления оС (фиг. 2а), длительность выходных импульсов датчика 11 тока ,(фиг 2г), а также длительностьпаузы на выходе триггера 13 (фиг. 2и) уменьшаются. При угле управления оС О указанные длительности импульсов и пауз (фиг о 2г и и) равны нугно При этом по входам логического элемента И происходит совпадение си|- налов, что приводит к включенному состоянию RS-триггера 15, вследствие чего на управляющем электроде силового ключа 10 второй цепочки появляется постоянный положительный потенциал, что приводит к подключению данной цепочки к выходу инвертора (фиг. 1)„ Если после включения второй цепочки соотношение (1) не будет выполнено,, то в схеме (фиг.1) происходят процессы аналогичные описанным выше, и когда на входах логического элемента 14 происходит совпадение сигналов, включается RS-триг гер 19 первого из (п - 2) идентичных каналов системы управления, что .приводит к включению третьей силовой цепочки компенсатора о Аналогичные процессы происходят до тех пор, пока не выполнится соотношение (1), т.е пока угол оС(фиг. 2а) не станет в квазиустановившемся режиме больше нуля. При этом все (п - 1) силовые цепочки компенсатора включаются строго последовательно в следующем порядке: вторая, третья, четвертая и так далее до п. При уменьшении на грузки угол управления оС , длительность импульсов .на выходе датчика тока, а также длительность паузы на выходе триггера 13 увеличиваются. При оС /2 с четвертого выхода фо мирователя 12 переднего фронта поступает сигнал на установочный вход (уставка в О) RS-триггера 15, что приводит к его выключению и как сле 8 ствие к исчезновению положительного потенциала на управляющем электроде силового ключа 10 второй цепочки .и к отключению ее от выходных шин инвертора. Если после отключения второй цепочки соотношение (1) не будет выполнено, в схеме (фиг. 1) происходят аналогичные процессы, приводящие к выключению RS-триггеров 19 соответственно первого, второго и т.До из (п - 2) идентичных каналов, что вызовет соответственно отключение третьей, четвертой и т.д. силовых цепочек компенсатора. Процесс отключения силовых цепочек происходит до тех пор, пока в установившемся режиме не будет выполнено соотношение (1), определяющее баланс реактивных мощностей в системе с учетом заданного узла запирания инвертора , Результаты расчетов и экспериментальных замеров (обозначены точками) коэффициента гармоник Кр f(Y ) в функции относительной величины нагрузки приведены на фиг. 3. Кривая I соответствует известной схеме. Кривые И при различном количестве цепочек п компенсатора соответствуют предлагаемой схеме (фиг. 1). В предлагаемой схеме параллельного инвертора тока значительно улучшается гармонический состав выходного напряжения инвертора (уменьшается Кр). При этом количество силовых цепочек компенсатора п определяется отдельно в каждом конкретном случае, исходя из заданного максимального значения коэффициента гармоник. Формула изобретения Параллельный инвертор тока, содержащий тиристорный мост с подключенным между его выходными выводами конденсатором и тиристорно-дроссельным компенсатором, выполненным в виде основной цепочки из последовательно соединенных линейного дросселя и управляемого ключа с двухсторонней проводимостью, например, в виде встречнопараллельно включенных тиристоров, а также блок управления, включающий 3 себя задающий генератор, выход которого через последовательно соединенные фазосдвигающий узел и первый усилительно-развязывающий узел подключен к управляющему входу ключа упомянутой цепочки и через второй усилительно-развязывающий узел - к управляющим входам тиристоров инвер торного моста, отличающий с я тем, что, с целью улучшения гармонического, состава выходного на пряжения при широком диапазоне изменения нагрузки, он снабжен (п - 1 числом упо(янутых аналогично выполненных цепочек и блоком управления этими цепочками, состоящим из (л-1) каналов, выходами подключенных к управляющим входам соответствующих ключей (п - 1) цепочек, первый из этих каналов выполнен в виде последовательно-соединенных датчика тока основной цепочки, формирователя переднего фронта этого тока, триггера со счетным и установочным входами, логического элемента 2И-НЕ, RS-триг гера°и усилительно-развязывающего узла, а каждый из последующих (п-2) идентично между собой выполненных каналов содержит первый логический элемент .2И и последовательно соединенные между собой второй логический элемент 2И-НЕ с прямым и инверс ным входами,RS-триггер и усилительн развязывающий узел, причем входы фо мирователя переднего фронта тока соединены с выходами первого усилительно-развязывающего узла, его пер вый выход соединен с R-входом RS-тр гера первого канала и с одним из входов первых логических элементов 2И каждого из {п - 2) идентичных каналов, второй его выход подключен к одному из входов логического элемента 2И-НЕ первого канала, второй вход которого соедине с прямым выходом триггера со счетным и установочным входами, подключенными соответственно к третьему и четвертому .выходам упомянутого формирователя, вь1ход логического элемента 2И-НЕ первого канала соединен с S-входов RS-триггера этого же канала.и с инверсными входами вторых логических элементов 2И-НЕ остальных (п - 2) идентичных каналов, в каждом,из которых выход первого логического элемента 2И соединен с R-входом RS-триггера, при этом выход RS-триггера первого канала соединен с другим входом первого логического элемента 2И-НЕ второго канала, а в (п - 2) идентичных кана|Лах выход RS-триггера каждого предыдущего канала соединен с другим входом первого логического элемента 2И-НЕ каждого последующего канала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 183269, кл. Н 02 М , 1966. 2.Телстов Ю.Г. Автономные инверторы тока. М., Энергия, 1978. 3.Вовалев Ф.И. и др. Стабилизированные автономные инверторы с синусоидальным выходным напряжением. М., Энергия, 1978.

фуг. f

/Л

XITI

/Л

r

x:

:7

П

П П П П П П П П л П П л 1 П П

u

QJ

П

П

П

П

лг./ П П П П fL JL П г

;/

/

о,г о o,s O.S

7,0

фуг. J