Трехфазный автономный инвертор напряжения (варианты)

 

Использование: изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для питания и частотного пуска мощных асинхронных двигателей. Сущность изобретения: цель изобретения - усовершенствование узла принудительной коммутации главных тиристоров инвертора в направлении сохранения высокой коммутационной устойчивости инвертора при постоянстве выходного тока при изменениях частоты и напряжения на выходе инвертора и при широком диапазоне регулирования напряжения по цепи питания инвертора. Указанная цель достигается тремя различными схемными решениями. Общим и существенным для всех решений является наличие в узле принудительной коммутации автономного инвертора, содержащего регулируемый источник питания постоянного напряжения, С-или L-фильтр на его выходе и трехфазный мостовой инвертор напряжения с узлами принудительной коммутации главных тиристоров, разделительных тиристоров, которые создают условия автономной работы узла принудительной коммутации, использование дополнительного (дополнительных) источника (источников) подзаряда коммутирующих конденсаторов, который (которые) обеспечивает независимость напряжения на коммутирующих конденсаторах от изменяющегося напряжения по цепи питания инвертора, чем и достигается его коммутационная устойчивость, наличие контура предварительного перезаряда коммутирующих конденсаторов и индивидуальное воздействие на главные тиристоры. 3с.п.ф-лы,7ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для питания и частотного пуска мощных (более 50 кВт) асинхронных двигателей. Может быть использовано для питания мощных асинхронных двигателей и активно-индуктивной нагрузки с переменной частотой и напряжением. Изобретение позволяет эффективно использовать тиристоры в схемах преобразователей постоянного напряжения в трехфазное переменное, где применение других полупроводниковых приборов затруднено по техническим или экономическим причинам.

Рассматриваемое изобретение относится к устройствам, в состав которых входят: регулируемый источник постоянного напряжения, сглаживающий LC- или С-фильтр, трехфазный мостовой коммутатор напряжения, узлы принудительной коммутации главных тиристоров.

По способу управления изобретение относится к преобразователям, величина выходного напряжения которых изменяется за счет регулирования напряжения по цепи постоянного напряжения, а форма выходного напряжение и частота формируются коммутатором, содержащим в плече встречновключенные главный тиристор и диод. Наличие LC или С-фильтра, узлов принудительной коммутации главных тиристоров, коммутирующих конденсаторов и источников их подзаряда в этих схемах является обязательным.

Особенностью работы рассматриваемого трехфазного автономного инвертора напряжения является сохранение постоянного выходного тока, близкого к номинальному, при глубоком изменении напряжения регулируемого источника постоянного напряжений и выходной частоты (с соблюдением соотношения Uвых/Fвыx=const), что создает особые условия работы узла принудительной коммутации главных тиристоров инвертора, при которых требуется сохранить коммутационную устойчивость главных тиристоров при низких значениях напряжения регулируемого источника постоянного напряжения.

В качестве аналога и прототипа выбирают схемы трехфазных автономных мостовых инверторов напряжения, узлы коммутации главных тиристоров которых содержат источники подзаряда коммутирующих конденсаторов [1,2] Схема [1] содержит источник подзаряда конденсаторов, разделенный на две равные части, которые непосредственно включены в контур коммутации главных тиристоров, два конденсатора, средняя точка которых подсоединена к средней точке конденсаторов сглаживающего фильтра на входе инвертора. Недостатком схемы является включение источника подзаряда в контур коммутации, необходимость сбалансированности схемы для выравнивания потенциалов коммутирующей цепи, включение в контур коммутации фильтровых конденсаторов, которые из-за большой емкости (выбираемой из условий необходимой фильтрации выпрямленного напряжения) затягивают процесс коммутации главных тиристоров, снижение коммутационной устойчивости главных тиристоров при уменьшении напряжения на входе инвертора и сохранении величины выходного тока инвертора на уровне, близком к номинальному.

Схема-прототип [2] содержит источник подзаряда конденсаторов, который через группу тиристоров, включенных по мостовой схеме, заряжает конденсаторы. Конденсаторы в свою очередь соединены в звезду, их общая точка соединена со средней точкой конденсаторов сглаживающего фильтра, остальные обкладки конденсаторов подключены к фазным выводам выше, упомянутой мостовой схемы и через пары встреч- но-параллельно включенных коммутирующих тиристоров по-фазно подключены к главным тиристорам инвертора. Недостатком предлагаемого способа коммутации является включение в контур коммутации фильтровых конденсаторов, имеющих обратную полярность по отношению к полярности конденсатора, что ведет к снижению эффективности коммутации, а также специальный алгоритм заряда конденсаторов.

Цель изобретения усовершенствование узла принудительной коммутации главных тиристоров инвертора в направлении сохранения высокой коммутационной устойчивости инвертора при постоянстве выходного тока инвертора (на уровне номинального), при изменениях частоты и напряжения на выходе инвертора и при широком диапазоне регулирования напряжения по цепи питания инвертора (от регулируемого источника постоянного напряжения).

Указанная цель достигается тремя различными схемными решениями ( вариантами). Общим и существенным для всех трех решений является наличие в узле принудительной коммутации инвертора, содержащего регулируемый источник постоянного напряжения, LС- или С-фильтр на его выходе, коммутатора, разделительных тиристоров, которые создают условия автономной работы узла принудительной коммутации главных тиристоров инвертора, использование источника (источников) подза- ряда конденсаторов, который (которые) обеспечивает независимость напряжения на конденсаторах от изменяющегося напряжения источника постоянного напряжения, чем и достигается коммутационная устойчивость инвертора, наличие контура предварительного заряда конденсаторов и индивидуальное воздействие на главные тиристоры.

Применение изобретения позволит получить следующие преимущества: - независимость работы узла принудительной коммутации от изменяющегося напряжения источника постоянного напряжения, что ведет к повышению коммутационной устойчивости главных тиристоров при снижении напряжения на выходе инвертора и сохранении тока нагрузки на уровне, близком к номинальному; оптимальный выбор емкости конденсаторов, величина которой определяется только величиной напряжения источника подзаряда и временем выключения главных тиристоров; исключение из процесса коммутации конденсаторов сглаживающего фильтра, емкость которых может определяться из условия получения необходимого коэффициента пульсаций напряжения на входе коммутатора, что является важным при работе от управляемого выпрямителя; отсутствие накопления энергии в конденсаторе, компенсация потерь в контуре коммутации осуществляется источником подзаряда.

На фиг. 1 представлен первый вариант трехфазного автономного инвертора напряжения, регулируемого по цепи питания. На фиг.2 второй вариант трехфазного автономного инвертора напряжения, регулируемого по цепи питания. На фиг. 3 третий вариант трехфазного автономного инвертора напряжения, регулируемого по цепи питания. На фиг.4 диаграммы токов и напряжений основных элементов инвертора по варианту 1 и 2 в режиме максимального напряжения регулируемого источника постоянного напряжения. На фиг.5 - диаграммы токов и напряжений основных элементов инвертора по варианту 1 и 2 в режиме минимального напряжения регулируемого источника постоянного напряжения. На фиг.6 диаграммы токов и напряжений основных элементов инвертора по варианту 3 в режиме максимального напряжения регулируемого источника постоянного напряжения. На фиг.7 диаграммы токов и напряжений основных элементов инвертора по варианту 3 в режиме минимального напряжения регулируемого источника постоянного напряжения.

Общим для предлагаемых вариантов по фиг.1-3 является подключение коммутатора 1 (Еинв) с узлами искусственной коммутации главных тиристоров к регулируемому источнику постоянного напряжения 2 (Епит) через сглаживающий LC-фильтр 3.

Далее описываются общие схемные решения для всех трех вариантов на примере одной фазы фиг.1.

Основной токоведущий контур коммутатора 1 образуют: последовательно соединенные дроссель 4 от плюса коммутатора 1 к аноду главного тиристора 5, главный тиристор 6 (анодом к катоду тиристора 5), дроссель 7 к минусу коммутатора 1. Тиристор 5 шунтирован обратным диодом 8, тиристор 6 шунтирован обратным диодом 9. Общая точка главных тиристоров 5 и 6 связана с выходной фазой инвертора.

Узел коммутации главных тиристоров состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов 10 и 11, общая точка которых подключена через дроссель предварительного заряда 12 к общей точке главных тиристоров 5 и 6. Крайний вывод конденсатора 10 подключен к плюсу источника 13 подзаряда конденсаторов, к катоду разделительного тиристора 14, анод которого соединен с плюсом коммутатора 1. Параллельно конденсатору 10 и дросселю предварительного заряда 12 включена последовательная цепь предварительного заряда из дрос селя 15 и тиристора 16, катод которого соединен с общей точкой дросселя предварительного заряда 12 и тиристоров 5 и 6. Крайний вывод конденсатора 11 подключен к минусу источника 13, к аноду разделительного тиристора 17, катод которого соединен с минусом коммутатора 1. Параллельно конденсатору 11 и дросселю предварительного заряда 12 включена последовательная цепь предварительного заряда из дросселя 18 и тиристора 19, анод которого соединен с общей точкой дросселя предварительного заряда 12 и тиристоров 5 и 6.

Отличительным для варианта 1 (фиг.1) является то, что последовательные цепи из конденсаторов узлов по-фазной принудительной коммутации главных тиристоров подключены каждая к своему источнику подзаряда.

Отличительным для варианта 2 (фиг 2) является то, что последовательные цепи из конденсаторов узлов принудительной коммутации главных тиристоров включены параллельно между собой и подключены к источнику 13 подзаряда конденсаторов. Кроме того, дополнительно вводятся коммутирующие тиристоры 20,21, включенные следующим образом: анод тиристора 20 и катод тиристора 21 соединены с общей точкой дросселя предварительного заряда 12 тиристоров 16 и 19, катод тиристора 20 и анод тиристора 21 соединены с общей точкой тиристоров 5 и 6 (являющейся одновременно выходной фазой инвертора). Вариант 3 (фиг.3) отличается от варианта 2 тем, что используется узел коммутации главных тиристоров, в состав которого входят: источник 13, включенный параллельно последовательно соединенным конденсаторам 10 и 11, которые в свою очередь соединены последовательно с разделительными тиристорами 14 и 17, дроссель предварительного заряда 12, цепи предварительного заряда из дросселя 15, тиристора 16 и дросселя 18, тиристора 19. Кроме того, общая точка конденсаторов 10,11 через дроссель предварительного заряда 12 соединена с первыми выводами пар встречно-параллельно включенных коммутирующих тиристоров (для рассматриваемой фазы: коммутирующие тиристоры 20,21) каждой фазы, другие выводы пар встречно-параллельно включенных коммутирующих тиристоров соединены с общей точкой главных тиристоров соответствующей фазы.

Наличие или отсутствие дросселей 4,7,15,18 определяется требованиями обеспечения коммутационной устойчивости полупроводниковых элементов, принимающих участие в процессе коммутации, и не влияет на выбранное принципиальное схемное решение по любому из вариантов.

Фиг. 4-7 иллюстрируют работу инвертора для схемы с параметрами: Епит. макс= 500 В, Епит.мин=50 В, Рнагр=130 кВт, Едоп=1200 В, Fвых=400 Гц, COSF= 0,7, L4=L7=L15=L18=0.

Обозначения на рисунках соответствуют: I4 ток на элементе 4 (положительное направление тока соответствует току через тиристор 5); I7 ток на элементе 7 (положительное направление тока соответствует току через тиристор 6); IА линейный ток на выходе инвертора; Uав линейное напряжение на выходе инвертора; Ua фазное напряжение на выходе инвертора; U10 - напряжение на конденсаторе 10; U11 напряжение на конденсаторе 11; U13 - напряжение на источнике 13.

Общие (для трех вариантов) принципы работы схемы рассмотрим на примере коммутации тиристора 5 по варианту 1 (фиг. 1) Начальное напряжение на конденсаторе 10 показано на фиг.1 знаками плюс и минус без скобок. После включения тиристора 16 происходит перезаряд конденсатора 10 в контуре 10-15-16 с полярностью, указанной в скобках. Тиристор 16 закрывается. Открывается тиристор 14. Происходит перезаряд конденсатора 10 в контуре 10-12-5(8)-4-14 до полярности, указанной без скобок. В процессе перезаряда конденсатора 10 происходит отключение тиристора 5. Как только напряжение на конденсаторе 10 превысит напряжение Еинв, тиристор 14 закрывается и процесс коммутации заканчивается. Напряжение на конденсаторе 11 принимает значение, равное разности напряжения Едоп (источник 13) и напряжения на конденсаторе 10. Максимальное напряжение на коммутирующем конденсаторе может достигать величины до 1,5доп.

Разделительные тиристоры 14 и 17 обеспечивают изолированную от источника 2 (Епит) работу узла коммутации в части поддержания необходимого начального напряжения на конденсаторах 10,11.

Отличительной (от варианта 1) особенностью работы варианта 2 является наличие встречно-параллельно включенных коммутирующих тиристоров 20,21 и общего на три узла принудительной коммутации главных тиристоров источника 13. Необходимость включения в схему коммутирующих тиристоров 20,21 вызвана тем, что при их отсутствии образуются дополнительные контуры через нагрузку в момент коммутации. В остальном процесс коммутации аналогичен вышеописанному по варианту 1, при этом одновременно с разделительным тиристором 14, в момент коммутации, включается и коммутирующий тиристор 20.

На фиг. 4 (Епит.макс), фиг.5 (Епит.мин) приведены осциллограммы работы инвертора по вариантам 1,2. В обоих случаях выходной ток имеет номинальное значение.

Отличительной (от варианта 2) особенностью работы схемы по варианту 3 является наличие общего узла, включающего в себя разделительные тиристоры 14 и 17, конденсаторы 10 и 11, источник 13, две цепи предварительного заряда (элементы 12,15,16 и 12,18,19) на все три фазы коммутатора 1. Включение тиристоров 14,16,17,19 происходит в три раза чаще, чем у аналогичных по вариантам 1,2, что ведет к увеличению частоты работы конденсаторов 10,11 в три раза (U10, U11 на фиг.6,7). Эта особенность может накладывать некоторые частотные ограничения на применение схемы по варианту 3.

На фиг. 6 (Епит.макс), фиг.7 (Епит.мин) приведены осциллограммы работы инвертора по варианту 3. В обоих случаях выходной ток имеет номинальное значение.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Булгаков В.А. Частотное управление асинхронными двигателями. 3-е перераб изд.-М. Энергоиздат, 1982. -216 с. ил. стр.137, рис.3. 47.

2. Забродин Ю.С. Узлы принудительной коммутации тиристоров. M. Энергия, 1974.-128 с. ил. стр.89, рис.2.20. 2

Формула изобретения

1. Трехфазный автономный инвертор напряжения, содержащий последовательно соединенные регулируемый источник постоянного напряжения, LC-фильтр, трехфазный мостовой коммутатор, каждая фаза которого содержит последовательно включенные главные тиристоры, общая точка которых связана с выходным выводом фазы, а крайние точки связаны через LС-фильтр с соответствующими выводами регулируемого источника постоянного напряжения, каждая фаза содержит узел принудительной коммутации главных тиристоров с конденсатором и источником подзаряда конденсаторов, отличающийся тем, что в каждый узел по фазной принудительной коммутации главных тиристоров введены второй конденсатор, два разделительных тиристора, дроссель предварительного заряда и две цепи предварительного заряда, каждая из которых содержит тиристор и включена параллельно цепи из соответствующего конденсатора и дросселя предварительного заряда, при этом в каждом узле принудительной коммутации главных тиристоров два разделительных тиристора и два конденсатора формируют последовательную цепь, крайними выводами которой являются анод первого и катод второго разделительных тиристоров, связанные с соответствующими крайними выводами последовательной цепи из главных тиристоров, общая точка конденсаторов через дроссель предварительного заряда соединена с общей точкой главных тиристоров, кроме того, последовательные цепи из конденсаторов узлов принудительной коммутации главных тиристоров подключены каждая к своему источнику подзаряда.

2. Трехфазный автономный инвертор напряжения, содержащий последовательно соединенные регулируемый источник постоянного напряжения, LС-фильтр, трехфазный мостовой коммутатор, каждая фаза которого содержит последовательно включенные главные тиристоры, общая точка которых связана с выходным выводом фазы, а крайние точки связаны через LC-фильтр с соответствующими выводами регулируемого источника постоянного напряжения, каждая фаза содержит узел принудительной коммутации главных тиристоров с парой встречно-параллельно включенных коммутирующих тиристоров и конденсатором, а также источник подзаряда конденсаторов, отличающийся тем, что в каждый узел пофазной принудительной коммутации главных тиристоров введены второй конденсатор, два разделительных тиристора, дроссель предварительного заряда и две цепи предварительного заряда, каждая из которых содержит тиристор и включена параллельно цепи из соответствующего конденсатора и дросселя предварительного заряда, при этом в каждом узле принудительной коммутации главных тиристоров два разделительных тиристора и два конденсатора формируют последовательную цепь, крайними выводами которой являются анод первого и катод второго разделительных тиристоров, связанные с соответствующими крайними выводами последовательной цепи из главных тиристоров, общая точка конденсаторов через последовательно соединенные дроссель предварительного заряда и встречно-параллельно включенную пару коммутирующих тиристоров соединена с общей точкой главных тиристоров, кроме того, последовательные цепи из конденсаторов узлов принудительной коммутации главных тиристоров включены параллельно между собой и подключены к источнику подзаряда конденсаторов.

3. Трехфазный автономный инвертор напряжения, содержащий последовательно соединенные регулируемый источник постоянного напряжения, LС-фильтр, трехфазный мостовой коммутатор, каждая фаза которого содержит последовательно включенные главные тиристоры, общая точка которых связана с выходным выводом фазы, а крайние точки связаны через LС-фильтр с соответствующими выводами регулируемого источника постоянного напряжения, кроме того, узел принудительной коммутации главных тиристоров с конденсатором и источником подзаряда конденсаторов, при этом каждая фаза содержит пару встречно-параллельно включенных коммутирующих тиристоров, отличающийся тем, что в узел принудительной коммутации главных тиристоров введены второй конденсатор, два разделительных тиристора, дроссель предварительного заряда и две цепи предварительного заряда, каждая из которых содержит тиристор и включена параллельно цепи из соответствующего конденсатора и дросселя предварительного заряда, при этом два разделительных тиристора и два конденсатора формируют последовательную цепь, крайними выводами которой являются анод первого и катод второго разделительных тиристоров, связанные с положительным и отрицательными выводами LС-фильтра соответственно, общая точка конденсаторов через дроссель предварительного заряда соединена с первыми выводами пар, вcтречно-параллельно включенных коммутирующих тиристоров каждой фазы, другие выводы пар встречно-параллельно включенных коммутирующих тиристоров соединены с общей точкой главных тиристоров соответствующей фазы, кроме того, последовательная цепь из конденсаторов подключена параллельно к источнику подзаряда конденсаторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7