Трехфазный инвертор со звеном постоянного тока и способ управления им
Владельцы патента RU 2556035:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" (RU)
Изобретение относится к устройствам преобразовательной техники и может быть использовано для питания с частотой 400 Гц бортовых систем летательных аппаратов (ЛА), а также для питания высокочастотного инструмента частотой 400 Гц или 200 Гц. Техническим результатом является снижение коэффициента гармоник в 1,8 раз при изменении cosφн от 1,0 до 0,6 во всем диапазоне изменения нагрузки при частотах 400 и 200 Гц. Результат достигается тем, что общий вывод вспомогательных ключей присоединен к средней точке, образованной двумя фильтровыми конденсаторами источника постоянного тока, причем в качестве вспомогательных ключей применены силовые модули на совмещенных (IGBT) транзисторах, управляющие входы которых подключены к выходам дешифраторов управляющих импульсов вспомогательных ключей, а входы подключены к выходам соответствующих дешифраторов основных ключей; между общим выводом вспомогательных ключей и средней точкой фильтровых конденсаторов может быть включен дополнительный конденсатор; длительность включенного состояния вспомогательных ключей соответствующих фаз инвертора при cosφн=0,98 и ниже задают 0,06Т, а при cosφн=0,98÷1,0 задают 0,052Т. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к устройствам преобразовательной техники, может быть использовано для питания с частотой 400 Гц бортовых систем летательных аппаратов (ЛА), а также для питания высокочастотного инструмента частотой 400 Гц или 200 Гц.
Известны трехфазные инверторы со звеном постоянного тока, включением нагрузки по схеме звезда, с продолжительностью (λ) открытого состояния управляемых ключей половины периода (λ=180° эл.), в которых фазное напряжение на нагрузке имеет двухступенчатую форму [Справочник по преобразовательной технике. Под ред. И.М. Чиженко. Киев. Изд-во: Техника, 1978, с. 131, 132, рис. 3.38 и 3.39 б, в].
Недостатками таких инверторов и способов управления ими являются относительно невысокая надежность из-за возможности протекания сквозных токов через противофазные управляемые вентили всех фаз при переключении, а также высокий коэффициент гармоник (Кг), т.е. значительное отличие выходного напряжения от синусоидального.
Известен трехфазный инвертор со звеном постоянного тока и способ управления им, выполненный по мостовой схеме, содержащий полностью управляемые ключи со встречно-параллельными диодами, нагрузки фаз, соединенные по схеме звезда, блок управления, который содержит задающий генератор, формирователь трехфазной последовательности импульсов и задатчик параметров периода выходного напряжения Τ и коэффициента мощности нагрузки coscpH, входы которого подключены к цепи нагрузки и к выходу задающего генератора, а выход к генератору паузы включения управляемых ключей, причем длительность паузы между включениями управляемых ключей противофазных плеч инвертора при cosφн=1,0÷0,8 задают 0,05Т÷0,044Т. [Патент РФ №2479915 от 22.03.2012 г., МПК Н02М 7/5387, Бюл. №11, опубл. 20.04.2013 г.].
Недостатком данного инвертора и способа управления им является невозможность получения формы выходного напряжения, близкой к синусоидальной в широком диапазоне изменения cosφн.
Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является трехфазный инвертор со звеном постоянного тока, содержащий основные ключи, соединенные по мостовой схеме, вспомогательные ключи и выполненный на полностью управляемых ключах, снабженный диодами, соединенными встречно-параллельно основным ключам, вспомогательные ключи, соединенные попарно встречно-параллельно, одним зажимом с соответствующей фазой нагрузки, а другим - через конденсатор с отрицательным зажимом источника постоянного тока, причем по способу управления основные ключи находятся в проводящем состоянии 5/12Т, а вспомогательные - 1/12Т в момент изменения знака фазного напряжения [Патент РФ №2125761, Н02М 7/5387, 1999].
Недостатками данного устройства являются относительно высокое значение коэффициента гармоник (Кг) выходного напряжения, сложность управления, относительно низкие КПД и надежность из-за повышенной длительности включенного состояния 1/12Т вспомогательных ключей (запираемых тиристоров).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества выходного напряжения, надежности и КПД в широком диапазоне изменения cosφн и частоты.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение коэффициента гармоник в 1,8 раз при изменении cosφн от 1,0 до 0,6 во всем диапазоне изменения нагрузки при частотах 400 и 200 Гц.
Поставленная задача решается трехфазным инвертором со звеном постоянного тока, содержащим основные ключи, соединенные по мостовой схеме, вспомогательные ключи и выполненный на полностью управляемых ключах, снабженный диодами, соединенными встречно-параллельно основным ключам, вспомогательные ключи, соединенные попарно встречно-параллельно, одним зажимом с соответствующей фазой нагрузки, а другим через конденсатор с отрицательным зажимом источника постоянного тока, причем по способу управления основные ключи находятся в проводящем состоянии 5/12Т, а вспомогательные - 1/12Т в момент изменения знака фазного напряжения, согласно изобретению, общий вывод вспомогательных ключей присоединен к средней точке, образованной двумя фильтровыми конденсаторами источника постоянного тока, причем в качестве вспомогательных ключей применены силовые модули на совмещенных (IGBT) транзисторах, управляющие входы которых подключены к выходам дешифраторов управляющих импульсов вспомогательных ключей, а входы подключены к выходам соответствующих дешифраторов основных ключей.
Кроме того, согласно изобретению, между общим выводом вспомогательных ключей и средней точкой фильтровых конденсаторов может быть включен дополнительный конденсатор.
Поставленная задача решается также способом управления трехфазным инвертором со звеном постоянного тока, по которому основные ключи находятся в проводящем состоянии 5/12Т, а вспомогательные - 1/12Т в момент изменения знака фазного напряжения, согласно изобретению длительность включенного состояния вспомогательных ключей соответствующих фаз инвертора при cosφн=0,98 и ниже задают 0,06Т, а при cosφн=0,98÷1,0 задают 0,052Т.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 - приведена схема трехфазного инвертора со звеном постоянного тока;
На фиг. 2 - временные диаграммы напряжений.
Трехфазный инвертор со звеном постоянного тока состоит из основных силовых модулей (IGBT) 1-6, соединенных по мостовой схеме, состоящих из полностью управляемых ключей и диодов, включенных встречно-параллельно основным ключам, силовых модулей 7-9 вспомогательных ключей, состоящих из полностью управляемых ключей (IGBT), включенных параллельно основным ключам, общий вывод вспомогательных ключей присоединен непосредственно к средней точке либо через дополнительный конденсатор 10 к средней точке, образованной двумя фильтровыми конденсаторами 11, 12, отрицательный зажим источника питания 13 соединен с соответствующей фазой нагрузки 14. Блок управления 15 состоит из задающего генератора 16, формирователя трехфазной последовательности импульсов 17, первого, второго и третьего дешифраторов управляющих импульсов 18, 19, 20 каждой фазы А, В, С, генератора паузы 20, задатчика параметров периода выходного напряжения Т, коэффициента мощности нагрузки cosφн 22, дешифраторов вспомогательных ключей 23-25 (фиг. 1).
Трехфазный инвертор со звеном постоянного тока с дополнительным конденсатором 10, включенным между общим выводом вспомогательных ключей и средней точкой фильтровых конденсаторов (фиг. 1).
Трехфазный инвертор со звеном постоянного тока в установившемся режиме работает следующим образом. От задающего генератора 16 поступают импульсы (u16) (фиг. 2) формирователю трехфазной последовательности импульсов 17, выдающему импульсы управления (u17) на дешифраторы 18, 19, 20, обеспечивающие управление верхних и нижних силовых модулей 1-6 каждого плеча моста в течение полупериода выходного напряжения. Для управления силовых модулей 7-9 вспомогательных ключей управляющие импульсы поступают с дешифраторов основных ключей к входам дешифраторов 23, 24, 25 управляющих импульсов вспомогательных ключей. Длительность паузы (tп) между включениями противофазных плеч инвертора (u21) задается генератором паузы 21, на вход которого подаются импульсы с задающего генератора 16. Генератор паузы 21 осуществляет одновременное введение паузы в первый, второй, третий дешифраторы управляющих импульсов 18, 19, 20, основных ключей, а также введение паузы в дешифраторы вспомогательных ключей 23, 24, 25 (u23). Импульсы поступают с блока управления 15 на верхние и нижние (u1,2) силовые модули 1-6 каждого плеча моста с паузой между включениями противофазных плеч инвертора. Задатчик параметров периода выходного напряжения Τ и коэффициента мощности нагрузки cosφн 22, на вход которого поступают с задающего генератора 16 импульсы, осуществляет контроль и управление генератором паузы 21 по полученным значениям периода выходного напряжения Т, коэффициента мощности нагрузки cosφн с фаз нагрузки 14.
Включение между общим выводом вспомогательных ключей и средней точкой фильтровых конденсаторов дополнительного конденсатора 10 позволяет снизить Кг, повысить коэффициент сглаживания напряжения источника питания путем увеличения конденсаторов фильтра.
Как видно из временных диаграмм (фиг. 2), напряжение на нагрузке (u14) имеет трехступенчатую форму с паузой между включениями управляемых ключей противофазных плеч инвертора, что приближает форму фазного напряжения к синусоидальной.
Пример конкретной реализации способа
От задающего генератора 16 подают импульсы формирователю трехфазной последовательности импульсов 17, выдающему импульсы управления на дешифраторы 18, 19, 20, основных ключей, обеспечивающие управление верхних и нижних силовых модулей 1-6 каждого плеча моста в течение полупериода выходного напряжения. Для управления силовыми модулями 7-9 вспомогательных ключей управляющие импульсы поступают с дешифраторов основных ключей к входам дешифраторов 23, 24, 25 управляющих импульсов вспомогательных ключей. Длительность паузы между включениями противофазных плеч инвертора для значения cosφн=1,0÷0,99 задают генератором паузы 21 равной значению 0,05Т. Генератор паузы 22 осуществляет одновременное введение значения 0,052Т в первый, второй, третий дешифраторы управляющих импульсов 19, 20, 21. Импульсы поступают с блока управления 15 на верхние и нижние силовые модули 1-6 каждого плеча моста с паузой, равной значению 0,05 Τ между включениями противофазных плеч инвертора, длительность включенного состояния вспомогательных ключей соответствующих фаз инвертора при cosφн=0,98 и ниже задают 0,06Т, а при cosφн=0,99÷1,0 задают 0,052Т, формируя трехступенчатую форму выходного напряжения.
Применение данного трехфазного инвертора со звеном постоянного тока позволяет повысить качество выходного напряжения, надежность и КПД в широком диапазоне изменения cosφн и частоты. Способ управления трехфазным инвертором со звеном постоянного тока приближает форму выходного напряжения к синусоидальной, что улучшает качество выходного напряжения, в результате снижения коэффициента гармоник при изменении cosφн от 0,98 и ниже при частотах 400 и 200 Гц во всем диапазоне изменения нагрузки, при этом длительность включенного состояния вспомогательных ключей соответствующих фаз инвертора при cosφн=0,98 и ниже задают 0,06Т, а при cosφн=0,98÷4,0 задают 0,052Т.
1. Трехфазный инвертор со звеном постоянного тока, содержащий основные ключи, соединенные по мостовой схеме, и вспомогательные ключи, выполненный на полностью управляемых ключах, снабженный диодами, соединенными встречно-параллельно основным ключам, вспомогательные ключи, соединенными попарно встречно-параллельно одним зажимом с соответствующей фазой нагрузки, а другим через конденсатор с отрицательным зажимом источника постоянного тока, причем по способу управления основные ключи находятся в проводящем состоянии 5/12T, а вспомогательные - 1/12T в момент изменения знака фазного напряжения, отличающийся тем, что общий вывод вспомогательных ключей присоединен к средней точке, образованной двумя фильтровыми конденсаторами источника постоянного тока, причем в качестве вспомогательных ключей применены силовые модули на совмещенных транзисторах, управляющие входы которых подключены к выходам дешифраторов управляющих импульсов вспомогательных ключей, а входы подключены к выходам соответствующих дешифраторов основных ключей.
2. Трехфазный инвертор со звеном постоянного тока по п. 1, отличающийся тем, что между общим выводом вспомогательных ключей и средней точкой фильтровых конденсаторов включен дополнительный конденсатор.
3. Способ управления трехфазным инвертором со звеном постоянного тока, по которому основные ключи находятся в проводящем состоянии 5/12T, а вспомогательные - 1/12T в момент изменения знака фазного напряжения, отличающийся тем, что длительность включенного состояния вспомогательных ключей соответствующих фаз инвертора при cosφн=0,98 и ниже задают 0,06T, а при cosφн=0,99÷1,0 задают 0,052T.
