Автономный инвертор Советский патент 1982 года по МПК H02M7/515 

(St) АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР

I

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано для электроснабжения на повышенных частотах потребителей с переменной нагрузкой.

Известны автономные инверторы, в которых устройство стабилизации выходного напряжения выполнено в виде обратного управляемого выпрямителя, выводы постоянного тока которого через дроссели подключены к входным зажимам инвертора l иL2.

Однако наличие дополнительного комплекта управляемых вентилей приводит к усложнению силовой схемы инвертора и его системы управления, а включение дросселей большой индуктивности в цепи постоянного тока обратного выпрямителя сопровождается снижением устойчивости при работе на двигательную нагрузку.

Известен также автономный инвертор, содержащий тиристорный мост, в цепи питания которого включен сглаживающии дроссель, а между выводами переменного тока включены коммутирующие конденсаторы, мост обратных диодов, выводы переменного тока которого соединены с выводами переменного тока тиристорного моста,выводы постоянного тока через компенсирующие дроссели подключены к выводам постоянного тока тиристорного моста ,а также трансформатор .включенный между выво10дами переменного тока тиристорного моста и выходными выводами инвертора 3J.

Данный инвертор характеризуется жесткой внешней характеристикой и устойчивостью при работе на двига15тельную нагрузку. Однако наличие моментов закорачивания компенсирующих дросселей цепочками последовательно соединенных диода и тиристора приводит к увеличению среднего тока

20 вентиля, снижению КПД и ограничению частотного диапазона.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является автономный инвертор, содержащий тиристорный мост с коммутирующими конденсаторами, мост обратных диодов и трансформатор, причем выводы пере менного тока моста обратных диодов подключены к отпайкам первичной обмотки трансформатора, а выводы постоянного тока тиристорного моста и моста обратных диодов связаны с шина ми питания через обмотки индуктивностей k, Однако для обеспечения работоспо сЬбности инвертора необходимо включение в цепь постоянного тока моста обратных диодов дросселей с достаточ но большой индуктивностью, что снижает быстродействие инвертора и увеличивает возможность самовозбуждения при работе на двигательную нагрузку. Схема инвертора работоспособна только при наличии активных потерь в силовых элементах. Кроме того, инвертор характеризуетх;я значительными потерями холостого хода, что при резкопеременном характере нагрузки приводит к увеличению расхода электроэнергии. Целью изобретения является улучшение энергетических и динамических характеристик инвертора. Указанная цель достигается тем, что в автономном инверторе обмотки индуктивностей, связанные с одной шиной питания, расположены на общем магнитопроводе, причем одна из обмо ток в каждом из двухобразованных та ким образом многообмоточных дросселей включена между разноименными по полярности выводами тиристорного мо та и моста обратных диодов и каждый из дросселей снабжен подмагничивающей обмоткой и размагничивающими об мотками по числу-фаз инвертора, кот рые дополнительно введенные маломощные диоды соединены между собой в треугольник, вершины которого юдключены к выводам переменно го тока тиристорного моста. На фиг. 1 приведена схема автоно ного инвертора; на фиг. 2 - k - гра фики, поясняющие его работу. Автономный инвертор содержит тиристорный мост 1-6, линейный дрос сель 7, коммутирующие конденсаторы 8 - 10, мост обратных диодов 11 - 1 выводы постоянного тока которого со динены с выводами постоянного тока тиристорного моста 1-6, через обмотки 17 многообмоточных дросселей. 18 и 19, а также трансформатор 20, к отпайкам первичной обмотки которого подключены выводы переменного тока моста обратных диодов 11 - 16. ногообмоточные дроссели 18 и 19 кроме указанных обмоток 17 содержат также подмагничивающие обмотки 21, управляющие обмотки 22 и размагничивающие обмотки 23 - 25- Обмотки 23-25 дросселя 18 через маломощные диоды 2б - 28 соединены между собой в треугольник, вершины которого подключены к выводам переменного тока моста 1-6. Аналогичным образом соединены через диоды 29-31 обмотки 23-25 росселя 19Для схемы инвертора справедливо уравнение: sin Ч + ft cos р) где 2. модуль и аргумент фазного сопротивления нагрузки; с и L фазная емкость коммутирующей батареи 8 - 10 и индуктивность обмоток 17 дросселей 18 и 19; круговая частота инвертирования;угол запирания; некоторая монотонно возрастающая функция угла, равная нулю при р 0. Физический смысл уравнения состоит в том, что коммутирующая емкость (левая часть уравнения расходуется на компенсацию реактивной мощности нагрузки и создание необходимого угла запирания (второе слагаемое правой части уравнения) и компенсацию тока, создаваемого дросселями обратного моста (первое слагаемое правой части уравнения). Уравнение может быть получено из векторной диаграммы, построенной для основных гармоник (фиг. 2), На фиг. 2 обозначено U - фазное напряжение на выходе инвертора; Ij,ток фазной емкости; ток, генерируемый обратным мостом; I индуктивная и активная составляющие тока нагрузки; I - результирующий ток на выходе инвертора. 5 Исходя из приведенного уравнения механизм стабилизации выходного напряжения может быть истолкован следующим образом. При разгрузке инвертора возраста угол р и следовательно растет первое слагаемое в правой части уравнения (за счет возрастания Ц (В ). Это влечет меньшее увеличение второ го слагаемого, т.е. уменьшение tosf Таким образом, наличие обратного моста приводит к меньшему росту угла (Ь при разгрузке инвертора,чем при его отсутствии. Это и ведет к стабилизации выходного напряжения. При этом, чем меньше величина индук тивности L обмоток 17, тем больше увеличивается (при этом же изменении нагрузки) первое слагаемое пра вой части, и следовательно тем жест че внешняя характеристика инвертора Оцениваем величину емкости, кото рая необходима для создания требуемого угла запирания ()«. в режиме пол ной загрузки преобразователя. Из уравнения находим . С (a)+.(VLM Lu) cos ри Индекс Н при углах Ми и BVI ука зывает на то, что уравнение рассматривается для номинального режима. Емкость оказывается тем больше, чем больше угол {Ьц и меньше индуктивность L. Таким образом, чем жестче требуется внешняя характеристика , тем больше требуется коммутирующая емкость. В предлагаемой схеме этот недостаток устранен, так как ИНДУКТИВНОСТЬ L сделана зависящей от угла р) . Именно эта индуктивность максимальна при малом J (номинальный режим)и минимальна при большом (Ь (режим холостого хода). Такая зависимость индуктивности L реализована с помощью подмагничивания его сердечника. На фиг. 3 показана предельная петля намагничивания. Система изменения магнитного состояния сердечника должна обеспечивать в режиме холостого хода инвертора состояние, соответствующее точке А, а в номинальном режиме состояние, соответствующее точке В. Действительно, пусть рабочий ток дросселя, осуществляющий компенсацию избыточной реактивной мощности коммутирующей батареи, перемагничивает 9 сердечник вдоль положительного направления напряженности. Тогда индуктивность обмотки, по которой протекает этот ток, максимальна, если начальное состояние соответствует точке А и минимальна, если оно соответствует точке В. В качестве управляющих сигналов, обеспечивающих нахождение сердечника в требуемых состояниях, могут быть выбраны ток, потребляемый инвертором от источника постоянного напряжения, и ток, пропорциональный выходному напряжению. В номинальном режиме ток, потребляемый от источника, максимален, а напряжение инвертора минимально. Наоборот, в режиме холостого хода потребляемый ток минимален, а напряжение инвертора - максимально. Поэто 1у обмотки управляющая 22 (с током источника) и размагничивающие 23 - 25 { с токами, пропорциональными выходному напряжению, должны быть намотаны на сердечник так, чтобы управляющая напряженность удовлетворяла равенству: Ч i HV , где напряженность,создаваемая током, потребляемым от источника постоянного напряжения ; напряженное ь, создаваемая током, пропорциональным напряжению инвертора . Помимо этих обмоток необходима намагничивающая обмотка 21, обеспечивающая фиксацию магнитного состояния сердечника в точках А и В с учетом петли конкретного матери ла. Таким образом, в исхсдном состоянии (перед возникновением каждого импульса компенсирующего тока через обмотку 17), напряженность определяется по формуле Н Ну + Н(., Н + Hj.., На фиг. 3 показаны величины результирующих напряженностей в двух крайних режимах. Поясняем назначение обмоток 23 25, токи которых пропорциональны выходному напряжению. В статическом режиме достаточно предусмотреть правление только составляющей напряенности li. Однако .наличие значиельной индуктивности катодного реак1936299

тора 8 цепи источника ухудшает быстродействие процесса управления велиииной индуктивности Ь . В момент отключения нагрузки ток источника id уменьшается медленнее, чем увеличивается напряжение на выходе инвертора. Наличие обмоток 23 25 ко пенсирует в переходном режиме это отставание, так как быстро возраста щее напряжение увеличивает составля щую напряженности H , что уменьшает результирующую напряженность управления Н„ Аналогично протекает переходный процесс и при набросе нагрузки. После окончания переходного процесса ток, потребляе мый от источника, достигает нового установившегося значения, а выходно напряжение, после кратковременного возрастания (или уменьшения достигает значения, близкого к номинальн му. При этом происходит требуемое перераспределение долей составляющи 4id результирующей напряженности. Таким образом, размагничивающие обмотки 23 - 25 служат для увеличен быстродействия процесса регулирован величины индуктивности L . Малая инерционность обмоток 23 25 определяется способом их питания выходным напряжением инвертора, при котором каждая из обмоток проводит ток в течение времени, не превосходящем полпериода выходной частоты. Обмотки 23 - 25 и диоды 26-28 (или 29 - 31), стоящие последовател но с ними, являются маломощными, так как необходимая величина напряженности HVI может быть создана за счет соответствующего выбора числа витков. Нафиг. k приведены графики зави симости коэффициента нагрузки В и к эффициента использования тиристора от нбминального угла запирания рассчитанные для предлагаемой схемы. Коэффициент В рассчитывается по формуле В 1/2ци;С 5ц/(1о и характеризует величину установленной мощности коммутирующей батареи. Q по отношению к полной мощности нагрузки в номинальном режиме 5ц.

Коэффициент использования тиристора К , рассчитываемый по формуле К У.У. Т т. с Р.НОЛА и характеризует отношение амплитудного значения тока тиристора (и диода) в режиме холостого хода т.тачхх. к среднему току тиристора в номинальном режиме T.tp-иол / Графики noctpoeHM для различных значений отношения S величины индуктивности реактора в номинальном режиме 1ц и индуктивности его в режиме холостого хода Ly , т.е.: 5 Ц/Ц При этом S 1 соответствует нерегулируемому реактору. Приведенные графики соответствуют 10 нестабильности напряжения инвертора, т.е. (Uxx. - UH)/UH 0,1 где U - напряжение на выходе в режиме холостого хода и в номинальном режиме. Сравнение графиков показывает,что увеличение S позволяет значительно уменьшить установленную мощность конденсаторной батареи и тиристоров, однако выбирать S 5 нецелесообразно. Недостатком известного инвертора является то, что через тиристорный Мост проходит не только активная мощность нагрузки, но и активная мощность обратного диодного моста, под которой понимается величина, определяемая соотношением Рр Ud-l где и напряжение источника питания;среднее значение тока циркуляции . Из уравнения энергетического баланса ГА имеем: V (V РВ%Р где Q реактивная мощность конденсаторов 8 - 10; реактивная мощность нагрузки;РН - активная мощность нагрузки. 5 В режиме холостого хода составля щие полной мощности нагрузки равны нулю, т.е. fH О, Q О, В результате получаем QC Pe-te-p При максимальной нагрузке инверт Pg О, РН PHWCBCследовательно ((д Р + tgf), т - аргумент полного сопротив ления нагрузки. Из уравнений для двух граничных режимов получаем Pfttglb PHWOX (tgf + tgf). Так как , гдeЛd(,J5 средний ток тйристорного м та при максимальной загруз ке, то, с учетом выражения для определения Pg, последнее уравнение может быть переписано следующим образом: tg |b Отсюда видно, что эффективность использования вентилей схемы I по току зависит от коэффициента мощное I ти нагрузки и номинального угла запирания. При углах запирания р , находящихся в пределах 5-30 эл.град, и коэффициенте мощности нагрузки, равном 0,7, средний ток вентилей сх мы Р Ъ режиме холостого хода возрастает по сравнению с режимом максимальной нагрузки от 2,73 до 6,б7 раз ( большее число соответствует ме шей величине угла запирания р). При меньшей величине коэффициента мощности нагрузки кратность изменения токов еще больше. Искусственное завышение величины угла запирания для уменьшения отношения TJB/Dd в соответствии с при веденными уравнениями не эффективно так как сопровождается резким увели чением установленной мощности батареи коммутирующих конденсаторов. Таким образом,-режим холостого хода является расчетным для схемы Г4, причем в соответствии с указан ными кратностями тока должны выбираться как вентили схемы, так и ее электромагнитные аппараты. В предлагаемой схеме инвертора кривая тока тиристора является суммой двух составляющих: т та + 99 i - составляющая, обусловленная где током, потребляемым от источника питания; i - составляющая, обусловленная током компенсации, протекающим через обмотки 17 дросселей i8 и 19. При разгрузке инвертора составляющая . а составляющая { представляет колоколообразный импульс тока с амплитудой где - амплитуда напряжения, подаваемого на диодный мост с отпаек трансформатора. Среднее значение тока вентилей в режиме холостого хода: (sin p) - |i-cos ) op TCUJL Используя эту зависимость, не трудно показать, что отношение среднего значения тока рабочего тиристора в режиме холостого хода к среднему значению при максимальной загрузке при указанных выше для схемы значениях и Сое-Унагрузки не превышает 0,67Таким образом,в предлагаемой схеме автономного инвертора активные потери в режиме холостого хода Существенно меньше, чем в схеме Г Важным преимуществом предлагаемого инвертора перед известным является также то, что он может быть реализован на элементах, принципиально не обладающих активными потерями. Это обстоятельство делает схему предлагаемого устройства перспективной при соответствующем развитии силовой элементной базы, построенной на основе явления сверхпроводимости. Предлагаемое устройство обладает более высоким быстродействием по сравнению с известным t за счёт того, что реакция системы стабилизации выходного напряжения на изменение параметров нагрузки представляет собой последовательность импульсов. Это определяется тем, что в прерывистом режиме исключается влияние инерционности индуктивных элементов на инерционность системы стабилизации по огибающей переходного процесса. Другие преимущества предлагаемог устройства перед известным (J состоят в следующем. Размещение обмоток индуктивностей, связанных с одной шиной питания, на общем магнитопроводе приводит к улучшению массогабаритных показателей. Изменение магнитного состояния многообмоточных дросселей в зависимости от параметров нагрузки благоприятно сказывается на Пусковых характеристиках инвертора. Это связан с тем, что при включении инвертора на холостом ходу эквивалентная вели чина индуктивного сопротивления в ц пи питания тиристорного моста оказывается меньше, чем при работе на номинальную нагрузку. Формула изобретения Автономный инвертор, содержащий тиристорный мост с коммутирующими конденсаторами, мост обратных диодо и трансформатор, причем выводы пере менного тока моста обратных диодов подключены к отпайкам первичной обмотки трансформатора, а выводы постоянного тока тиристорного моста и моста обратных диодов связаны с шин ми питания через обмотки индуктивностеи, отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетических и динамических характеристик, обмотки индуктивностей, связанные с одной шиной питания, расположены на общем магнитопроводе, причем одна .из обмоток в каждом из двух образованных таким образом многообмоточных дросселей включена между разноименными по полярности выводами тиристорного моста и моста обратных диодов, а каждый из дросселей снабжен подмагничивающей обмоткой и размагничивающими обмотками по числу фаз инвертора, .которые через дополнительно введенные диоды соединены между собой в треугольник, вершины которого подключены к выводам переменного тока тиристорного моста. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе К Патент США № 3768001, кл. Н 02 М 7/tt6, 1973. 2.Ковалев Ф.И. и др. Судовые статические преобразователи. Л.,Судостроение, 19б5, с. 1291 рис. «9. 3.Кантер И.И, Статические преоб разователи частоты. Изд-во Саратовского университета, 1966, с. 300, рис. 7-3. . Раскин Л.Я.Стабилизированные автономные инверторы тока на тиристорах, М. , Энергия, 1970, с. 29. рис.9.

1

S { L

10

tft.l

H %

Фи1.2

Фиг.З

2ff ff ff Л llf 0 30 itO ///

Hr /f

f2 S

4

фцгЛ