Трехфазный инвертор Советский патент 1983 года по МПК H02M7/515 

(54) ТРЕХФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано для питания трехфазным стабилизируемым (регулируемым) напряжением потребителей с изменяющимися в широких пределах параметрами. Известен трехфазный инвертор, соде ьжаший мост основных тиристоров с конденсаторами в диагоналях переменного тока, сглаживающий реактор, две обмотки которого подключены между входными выводами инвертора и выводами посто5шного тока моста основных тиристоров, а также два моста регулирующих тиристоров, подключенных выводами переменного тока к выходным выводам инвертора, при чем между выводами постоянного тока этих мостов включены обмотки компенсирующего реактора, а обмотки сглаживающего и компенсирующего реакторов расположены на одном ферромагнитном сердечнике 11 . К недостаткам этого устройства следует отнести сложность и значительные массу и габариты за счет наличия багп шого количества управляемых вентилей. Известен также трехфазный инвертор, в котором устройство стабилизации выходного напряжения выполнено в виде обратного управляемого выпрямителя, выводы ПОСТ05ШНОГО тока которого через реакторы подключены к входным зажимам инвертора. Данный инвертор обладает жесткой внещней характеристикой при таком способе управления вентильной системой, при котором управляющие импульсы на тириоторы инверторного моста и обратного выпрямителя подаются с некоторым иаперед заданны л фиксированным сдвигсял. Зго позволяет существенно упростить сиотему управления инвертором за счет иоключения из ее состава ряда сложных узлов, что приводит к повыщению функциональной надежности устройства, в целом 2 . Однако этот инвертор обладает также рядом недостатков, к которым прежде всего необходимо отнести значительные потери холостого хода, что при резкопеременном характере нагрузки приводит к увеличению расхода эпектрознерг;ии. Наиболее близким по технической сущ ности к предлагаемому является трехфазный инвертор, содержащий мост основных тиристоров с сглаживающим реактором в цепи nocTOSfflHoro тока и коммутирующим конденсаторами в диагоналях переменног тока, параллельно которым через BCTpe4H параллельно соединенные регулирующие тиристоры подключены компенсирующие реакторы 3 , . Статические и динамические характеристики такого инвертора в значительной с гепени зависят от принятого способа управления вентильной системой и от харак теристик системы автоматического регулирования, осуществляющей изменение фазы управляющих импульсов- тиристоров устройства компенсации реактивной мощности в функции параметров выходного налряжения. Получение жесткой внешней характеристики связано с применением в системе автоматического регулирО1зания звеньев с больщими коэффициентами передачи, что усложняет схему управления и в ряде случаев приводит к нарущению устойчивости зам1щутой системы регулирования. Повышение жесткости внешней характеристики инвертора по схеме з и улуч щение его, динамических характеристик может быть достигнуто за счет уменьшения индуктивности компенсирующих реа торов и соответствующего уменьшения утла проводимости регулируюших тиристоров .при минимальной загрузке инвертора. Однако это сопровождается ухудшение использования тиристоров по току и увеличением содержания высших гармоник в кривой выходного напряжения. Цель изобретения - улучшение энергетических характеристик инвертора. Поставленная цель достигается тем, что в трехфазном инверторе, содержащем мост основных тиристоров с сглаживаюпхи реактором в цепи постоянного тока и ком мут1фующими конденсаторами в диап налях переменного тока, компенсирующие реакторы и регулирующие тиристоры, последние соед1шены последовательно-встреч vHO и анодамл подклкнены к выводам переменного тока моста .основных тиристоров, при. этом обмотки компенсирующих реакторов размещены на одном магнитопроводе и одноименными зажимами подключены к точкам соединения катодов ретулируюпдах тиристоров, другие зажимы обмоток компенсирующих реакторов соединены с соответствующими выводами переменного тока моста основных тиристоров. Другое отличие сЪстоит в том, чтообмотки сглаживающего и компенсирующих реакторов размещены на одном фер ромагнитном сердечнике. , На фиг. 1 показана схема предлагаемого инвертора; на фиг. 2 и 3 поясняет ся его работа; на фиг. 4 и 5 показаны преимущества предлагаемого инвертора перед прототипом. Трехфазный инвертор содержит мост основных тиристоров 1 - 6 с конденса- тооами 7-9 диагоналях переменного тока, регулирующие тиристоры 1О - 15 .и реактор 16,обмотка 17 которого включена между анодамитиристоров 1, 3, 5 и положительным входным выводом. Регулируюндае тиристоры Ю - 15 соединены последовательно-встречно и анодами подключены к выводам переменного тока моста основных тиристоров 1 6, при этом к точкам соединения катодов. регулирующих тиристоров 10-15 подключены одноименные зажимы обмоток 18-20 реактора 16, другие зажимы которых соединены с соответствующими выводами переменного тока моста основных тиристоров 1-6. Трехфазный инвертор работает следующим образом. Мост основных тиристоров 1-6, управляемый системой узких,- сдвоен1Ш1х через 60 ал. град, импульсов, форм1фует (фиг. 2) на коммутирующих конденсаторах 7-9 трехфазную систему напряжений, по форме близких к синусоидальным. Кроме этих напряжений на фиг. 2 пред-. ставлены также графики (1азных токов ly.-. i П и инвергорного моста 1 6 , и токов обмоток 18 - 20 реактора 16, являющихся компонентами фазных токов 4 А 6- С компенсирующего устройства (КУ). Величина напряжений g , v .д U gпри неизменном входном напряжении и при условии, что коммутация тока с тиристора на тиристор протекает мгновенно, определяется величиной угла запирания р, которая в свою очередь зависит от параметров цепи переменного тока, включенной на выходе инвертора. В эту цепь входят нагруз-ка (не показана), конденсаторы 7-9 и некоторый эквивалент индуктивного соп ротивления,оьразованный обмотками 18 .20 реактора и соединенными с ними соответствующим образом регулирующими тиристорами 1О - 15. Конденсаторы 7-9 обеспечивают компенсацию реактивной мощности нагрузки и коммутацию тирист ров 1 - 6. КУ (реактор 16 - тиристоры 10 - 15) осуществляет изменение балан са реактивной мощности в системе инве1 тор - нагрузка таким образом, чтобы об лечивалосТ. поддержание выходного напря ния взаданных пределах. Изменение реа тивной мощности, потребляемой КУ, осуществляется изменением фазы управляющих импульсов регулирующих тиристоров 10 - 15 относительно, фазы переменного напряжения на выходе инвертора (на ко денсаторах 7-9). Тиристоры 1О - 15 управляются узкими одиночными импульсам, смещенным по зе относительно друг друга на 60 эл. град. При смещении управляющих импульсов на угол d в сторону опережения относительно момента прохождения соответствующего линейного напряжения через нулевое значение происходит поочередное (в соответствии с указанной на чертеже нумерацией) вклю чение регулирующих тиристоров 10 - 1. Если .oL ЗО эл. град.,то ипспе отпирания тиристоров 10 - 15 в обмотках 18 - 20 реактора 16 формируются импульсы тока, имеющие длительность 2 of. . При этом величина реактивной мощности О,, потребляемой КУ, может быть найдена. по формуле (2ot-sin2oJ.) , Jfu;- U, где Од - действующее значение линейного напряжения; Ц) - круговая частота инвертирова- ,ния; . , . LQ - собственная индуктивность обмоток 18 - 20 реактора 1 d- - угол управления. При d 30 эл. град, включение очередного регулирующего тиристора происходит только при включении следующего (согласно принятой на фиг. 1 нумерашш) регулирующего тиристора. Так, например, при включении тиристора l6 напряжение U,, на конденсаторе 9 прикладывается к тиристору 15 в запирающей полярности. После коммутации тиристоров 15 и Ю (линейная схема замещения этого момента представлена на фиг. За) ,, тиристор 10 находится в проводящем состоянии до момента подачи отпирающего импульса на тиристор 11 Напряжение на тиристоре 11 при этом может быть найдено из следующего ура&Ц + и2о+исд 0, %- 1й 19 А8Эт и уравнения соответствуют схеме замещения, показанной на фиг. 35) Непосредственно моментом управляющегоимпульса на тиристор Ц напряжения -ОсА, Ujg имеют следующую полярность: UCA л результате чего U. о , что дагает возможной коммутацщб WpHcropoBlOHll - „ри oL ЗО эл. град, длительноаг интервала проводимости регулирующего тиристора составляет 60 эл. град, независимо от величины d, причем при Заданном оС основное влияние на величину реактивной мощности, отбираемой. КУ от конденсаторов 7 - 9, оказывает величина активного сопротивления R « контура компенсации, т.е. а..- Sin2U-30 ). Из последней форглулы видно, чтов силу малости величины RC, крутизна регулировочной характеристики КУ, под которой понимается зависимость величины G от угла d, , приot 30 эл. град, существенно больше, чем при d 30 эл. град. Благодаря этому устройство управления инвертором может быть настроено таким образом, что КУ будет прризводить отбор реактивной мощности от конденсаторов 7-9 только при таких параметрах нагрузки, когда угол запирания fj больше некоторого наперед заданного значения Рр. Из фиг. 2 следует, что отпираш регулирующего тиристора происходи г с задержкой Е относительно момента включения k-ro тиристора инверторного моста ,при этом величины ot и р оказываются связанными ссютнощением d +1 110° + {ь. Для того, чтобы КУ проиводило ст.бор реактивной мощности от ковденсато-ров 7-9 начиная с р р., , величина фазового сдвига Е должна быть выбрана таким .образом, чтобы при |Ь fi угол управления cL был 30 эл. . Из этого условия имеем 0° + fbf.. Иаалее oi- aO +fi-fip. Последнее выражение показывает, что при номинальной нагрузке инвертора, копда |Ъ р у. , угол управления об 30 эл. град. Амплитуда импульсов тока ком пенсашш в этой области может быть сделана сколь угодно малой соответствук шим выбором индуктивности Uo При fb fbf-, крутизна регулировочной харак теристики КУ зависит в основном от активных потерь контура компенсашш, что позволяет получить жесткую внешнюю характеристику инвертора без применения автоматических устройств, управляющих КУ в функшш параметров выходного напряжения. Последнее обстоятельство обуоловливает высокую функциональную надежность инвертора, так как -при 6 cons-t существенно упрощается система управления и устраняется зависимость статических и динамичес1шх характеристик инвертора от параметров системы автрмат1гческого регулирования. Введем следующие обозначения: Вапряжение источ Щ1ка пигания В - . коэффишюнт загрузки инвертора, который определяется следующим образом: . /QC, . где 5 н - полная мощность нагрузки; QC реактивная мощность коммути рующих конденсаторов 7 - 9. Зависимости относительной величины выходного напрялсения / Uj от коэф фициента загрузки для различных значений параметра j, .представляют собой вне шние характеристики инвертора. Для предлагаемой схемы инвертора эти характерис тики на фиг. 4 показаны сплощными линия ми. На этом же рисунке для сравнения . пунктирными линиями изображены внещние -характеристики инвертора по схеме З i которые построены для различных значений параметра Ч S где С -емкость конденсаторов 7-9. При равных требованиях к точности стабилизации выходного напряжения коэффициент усиления контура управления тиристорами КУ в предлагаемой схеме буде в 10 - 30 раз Mejibme такового для устройств, управляющих тиристорами КУ в инверторе З J. Структура КУ в предлагаемом инверто ре такова, что потребляемый им ток при oi, 30-эл. град, по форме аналоганчен фазному току трехфазного мостового выпрямителя. Вследствие этого коэффициент несинусоидальности кривой выходного напряжения инвертора по предлагаемой схеме во всем диапазоне допустимых нагрузок не превыщает 7%. Последнее подтверждается фиг. 5, где приведены графики зависимостей коэффициента несинусоидальности выходного напряжения от коэффициента загрузки В для различных значений параметра Сп . Для сравнения укажем, что коэффициент несинусоидальности кривой выходного;напряжения инвертора по схеме в режимах работы, близких к холостому ходу, составляет 10 - 15%. Формула изобретения 1.Трехфазный инвертор, содержащий мост основных тиристоров со сглаживакь. щим реактором в цепи питания и конденсаторами в диагоналях перемешюго тока, регулирующее тиристоры и компенсирующие реакторы, отличающийся тем, что, с целью улучщения энергетичес1ШХ характеристик, регулирующие тиристоры соединены последовательно-встречно и анодами подключены к выводам переменного тока моста основных тиристоров, причем обмотки компенсирующих реакторов размещены на одном i магниторроводе и одноименными зажимами подключены к точкам соединения ; катодов регулирующих тиристоров, а другие зажимы обмоток компенсирующих реакторов-соединены с соответствующими выводами переменого тока моста основных тиристрров. 2.Инвертор по п. 1, о т п и ч а и и с я тем, что обмотки сглаживающего и компенсирующих реакторов размещены на одном ферромагнитном сердечнике. Источники информащш, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 620002, кп. Н 02 М 7/515Д978. 2.Патент США № 3768001, кл. Н О2 М 7/48, 1973. 3. Раскин Л. Я. Стабилизированные автономные инверторы тока на тиристорах. М., Энергия 1970, с. 9.

В

/ff

Фиг.

фиг. 2

,

V ,

/ LA-AJ

Z.J

L %

45 7tO

JJzo

20

J

V(

LA.-O

О 0,2 0, 0,6 0,8 1, Фиг.5

i4--Q,6

1Ч--2.5

О В