Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники. Технический результат заключается в улучшении массогабаритных показателей, КПД, в улучшении технологичности изготовления, повышении надежности, расширении функциональных возможностей. Для этого заявленное устройство содержит шесть силовых фазных полублоков, которые своими силовыми входами подключены к шинам питания постоянного тока, а выходами - к первичным обмоткам фазных трансформаторных узлов, вторичные фазные обмотки которых соединены пофазно согласно последовательно и подключены ко входным выводам трехфазного фильтра, а также систему управления фазными полублоками, формирующую две трехфазные системы сигналов с широтно-импульсной модуляцией, сдвинутые на тактовой частоте f_Т на угол π, для управления ключевыми элементами фазных полублоков, трансформаторные узлы выполнены в виде двух трехфазных трансформаторов, первая половина из трех фазных полублоков выполнена в виде первого трехфазного инвертора напряжения по мостовой схеме на транзисторах с обратными диодами, который своим силовым входом подключен к шинам питания постоянного тока, вторая половина из трех фазных полублоков также выполнена по схеме трехфазного инвертора напряжения, своим силовым входом подключенного аналогично к шинам питания постоянного тока, а выходы первого и второго трехфазных инверторов напряжения подключены к трехфазной первичной обмотке одного из двух трехфазных трансформаторов напряжения. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано при построении трехфазных инверторов напряжения в системах как основного, так и резервного электропитания автономных объектов, где в качестве первичного источника используется, например, аккумуляторная батарея с уровнем напряжения, требующим повышения его трансформаторным путем.

Известен преобразователь постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное, в принципе позволяющий решить данную задачу с некоторыми ограничениями - см. рис.9.12 на стр.335 в [1]: Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 376 с. Его силовая часть содержит два трехфазных инверторных моста, выходы каждого из которых подключены к первичным трехфазным обмоткам одного из двух трехфазных трансформаторов. При этом два комплекта вторичных трехфазных обмоток у одного из трансформаторов выполнены по схеме «зигзаг» и соединены пофазно последовательно с комплектом вторичных трехфазных обмоток второго трансформатора, образуя выходные выводы трехфазного инвертора. Его фазные выходные напряжения имеют многоступенчатую форму (в виде 6 равновременных интервалов его квантования на полупериоде) с коэффициентом гармоник К_Г(U)=0,15. Ближайшей высшей гармоникой в спектре напряжения, на которую рассчитывается выходной фильтр, является 11-я гармоника. Известно, что установленная мощность этого фильтра тем меньше, чем больше номер этой высшей гармоники. При выходной частоте 50 Гц масса фильтра здесь оказывается значительной - это первый недостаток данного решения. Второй его недостаток заключается в ограниченных функциональных возможностях - в [1] отсутствует информация о возможности регулирования выходного напряжения в этом инверторе, так что эта задача должна решаться дополнительно.

Наиболее близким по технической сущности решением является преобразователь постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией, описанный на стр.5÷11 в [2]: журнал «Практическая силовая электроника», №5, 2005 г. Преобразователь выполнен в виде трех фазных блоков. Каждый его фазный блок выполнен в виде двух фазных полублоков, каждый из которых в свою очередь содержит 6 синхронно работающих инверторных ячеек по нулевой схеме (с трансформаторным выходом). В целом преобразователь содержит 36 инверторных ячеек. Выходы фазных полублоков в каждой фазе (в виде вторичных обмоток трансформаторов) соединены последовательно. Алгоритмы управления ключевыми элементами инверторных ячеек каждой пары фазных полублоков задаются блоком управления, который формирует две трехфазные системы задающих сигналов с ШИМ, сдвинутые между собой по фазе на тактовой частоте f_т на угол π, а задающие сигналы (с выходной частотой f₂) в каждой фазе трехфазной системы между собой сдвинуты на угол 2π/3. Таким образом, формирование выходного фазного напряжения в каждом фазном полублоке осуществляется по алгоритму двухполярной ШИМ (ДШИМ) по синусоидальноиу закону синфазно на частоте задающего сигнала, но с фазовым сдвигом сигналов управления между фазными полублоками на угол π на тактовой частотой f_т. Поскольку выходы фазных полублоков соединены последовательно, то в результате суммирования двух напряжений с ДШИМ результирующее напряжение в каждом фазном блоке получается со значительно меньшими искажениями и имеет вид сигнала с однополярной ШИМ (ОШИМ) с частотой квантования импульсов в нем 2f_т. Наряду с известными достоинствами нулевые инверторные ячейки, на которых построен этот преобразователь, имеют следующий недостаток. Две первичные обмотки каждого из 36 трансформаторов работают попеременно. Из-за прерывания в них токов с тактовой частотой f_т на ключевых элементах возникают импульсные перенапряжения, обусловленные индуктивностями рассеяния этих обмоток. Работоспособность инверторных ячеек в известном решении [2] достигается введением специальных схемотехнических средств (называемых снабберными устройствами), которые снижают эти перенапряжения до приемлемого уровня. Фактически их функциональная надежность определяет и надежность инвертора в целом. Использование этих средств негативно сказывается и на КПД инвертора, а неполное использование первичных обмоток трансформаторов по току (из-за попеременной их работы) ухудшает их массогабаритные показатели и преобразователя в целом. Кроме того, транзисторные ключи в инверторных ячейках по нулевой схеме работают при рабочем напряжении несколько большем, чем 2Е_П, где Е_П - напряжение источника питания, что в ряде случаев может ограничивать применение этого решения из-за близости предельно допустимых значений рабочих напряжений транзисторных ключей к этому значению.

Таким образом, недостатками решения-прототипа [2] является его структурная (и технологическая) сложность, пониженные значения КПД и надежности, а также невысокие массогабаритные показатели и завышенное значение напряжения на ключевых элементах, ограничивающее область их применения.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в улучшении массогабаритных показателей, КПД, в улучшении технологичности изготовления, повышении надежности, расширения области применения и достигается тем, что в преобразователе постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией, содержащий шесть силовых фазных полублоков, которые своими силовыми входами подключены к шинам питания постоянного тока, а выходами - к первичным обмоткам фазных трансформаторных узлов, вторичные фазные обмотки которых соединены пофазно согласно последовательно и подключены ко входным выводам трехфазного фильтра, выходные выводы которых образуют выход преобразователя, а также систему управления фазными полублоками, формирующую две трехфазные системы сигналов с широтно-импульсной модуляцией, сдвинутые на тактовой частоте f_т на угол π, для управления ключевыми элементами фазных полублоков, трансформаторные узлы выполнены в виде двух трехфазных трансформаторов, первая половина из трех фазных полублоков, принадлежащих трем разным фазам, выполнена в виде первого трехфазного инвертора напряжения по мостовой схеме на транзисторах с обратными диодами, который своим силовым входом подключен к шинам питания постоянного тока, вторая половина из трех фазных полублоков также выполнена по схеме трехфазного инвертора напряжения, своим силовым входом подключенного аналогично к шинам питания постоянного тока, а выходы первого и второго трехфазных инверторов напряжения подключены к трехфазной первичной обмотке одного из двух трехфазных трансформаторов напряжения.

При этом возможны два способа реализации двух трехфазных трансформаторов. В первом варианте каждый из двух трехфазных трансформаторов выполняют на трех однофазных магнитопроводах, а во втором - на одном трехфазном магнитопроводе, причем в первом варианте первичные трехфазные обмотки каждого из трансформаторов соединены по схеме «треугольник», а во втором - по схеме «треугольник» или «звезда».

Техническая сущность изобретения поясняется чертежами:

на фиг.1 показана принципиальная электрическая схема силовой части преобразователя постоянного напряжения в квазисинусоидальное и функциональная блок-схема его системы управления;

на фиг.2 приведены осциллограммы его работы: вверху - фазное напряжение до фильтра; внизу - фазное напряжение после фильтра и ток активно-индуктивной нагрузки.

Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное по фиг.1, содержит два трехфазных инвертора напряжения 1 и 2 (ТИН1 и ТИН2), выполненных по трехфазной мостовой схеме и образующих два одинаковых по мощности преобразующих канала с трансформаторным выходом. Трансформаторный выход каждого трехфазного инвертора 1 и 2 обеспечивается двумя трехфазными трансформаторами, один из которых (для ТИН1) выполнен на трех однофазных магнитопроводах 3, 4, 5 с расположенными на них первичной трехфазной обмоткой 6 (W1_-1) и вторичной трехфазной обмоткой 7 (W2_-1). Другой трехфазный трансформатор (для ТИН2) выполнен аналогично - на трех однофазных магнитопроводах 8, 9, 10 с расположенными на них первичной трехфазной обмоткой 11 (W1_-1) и вторичной трехфазной обмоткой 12 (W2_-1). Первичные трехфазные обмотки 6 (W1_-1) и 11 (W1_-1) обоих трехфазных трансформаторов соединены по схеме «треугольник» и подключены к выходным фазным выводам A1, B1, C1 и A2, B2, C2 инверторов 1 и 2 соответственно. Вторичные трехфазные обмотки двух трехфазных трансформаторов 7 (W2_-1) и 12 (W2_-1) соединены пофазно согласно последовательно, причем одни одноименные по полярности концы обмоток объединены, образуя нулевую точку 13 (02), а другие образуют промежуточные фазные выводы 14 (A), 15 (B), 16 (C), к которым одними своими концами подключены дроссели индуктивности 17, 18, 19, а между другими их концами включены конденсаторы 20, 21, 22, которые вместе с этими элементами (17, 18, 19) образуют трехфазный Г-образный LC фильтр. Для защиты от перегрузок по току в выходной цепи преобразователя установлен датчик тока 23, включенный между выходными выводами Г-образного LC фильтра и выходными выводами 24, 25, 26 преобразователя. К выходным выводам 24, 25, 26 подключен также датчик трехфазного напряжения (ДН) 27. Выходы датчиков 23 и 27 подключены к соответствующим входам системы управления (СУ) 28. Принцип ее построения достаточно подробно описан в [2], а в упрощенном виде представлен на фиг.1. СУ 28 содержит блоки управления 29, 30, формирующие импульсы управления с ШИМ (с тактовой частотой f_T) транзисторными ключами инверторов (ТИН1) 1 и (ТИН2) 2 соответственно, которые сдвинуты между собой на этой тактовой частоте на угол π. Блоки 29, 30 содержат трехфазные модуляторы ширины импульсов (ТМШИ1) 31 и (ТМШИ2) 32, на входы каждого из которых от задатчика сигналов (ТЗС) 33 подается трехфазная система задающих сигналов синусоидальной формы. Блоки 31, 32, 33 синхронизируются таймером 34. Распределение импульсов между транзисторными ключами инверторов 1 и 2 осуществляется логическими узлами (ЛУ1 и ЛУ2) 35 и 36 соответственно, входы которых подключены к выходам блоков 31, 32. Блоки и узлы 29÷36 образуют основную часть системы управления, а блок 37 представляет вспомогательную ее часть. Она содержит два контура отрицательной обратной связи - (КООС1) 38 и (КООС2) 39, входы которых подключены к выходам датчиков напряжения 27 и тока 23 соответственно. Контур 38 обеспечивает стабилизацию выходного напряжения преобразователя, а контур 39 защиту его от перегрузок по току. Узлами 40, 41 задаются уставки для этих контуров (38, 39). Выходные сигналы с узлов 38, 39 через сумматор 42 подаются на управляющий вход блока 33, с которого обеспечивается управление амплитудой трехфазного задающего сигнала. Электропитание всех блоков и узлов СУ 28 обеспечивается блоком питания внутренних нужд (БПВН) 43.

Работает преобразователь следующим образом. Импульсы управления инверторами 1 и 2 формируются трехфазными модуляторами ширины импульсов 31 и 32 соответственно путем логического сравнения трех фазных сигналов u_a(t), u_в(t), u_c(t) синусоидальной формы, поступающих от трехфазного задатчика сигналов 33, с развертывающими сигналами u_p1(t) и u_p2(t) треугольной формы тактовой частоты f_T, которые сдвинуты между собой по фазе на угол π. Сигнал u_p1(t) вырабатывается в блоке 31, а сигнал u_p2(t) - в блоке 32. Трехфазный задатчик сигналов 33 выполняется регулируемым по уровню. Тактовую частоту f_T выбирают не менее, чем на порядок большей выходной частоты преобразователя F. На выходах каждого из блоков 31, 32 получают последовательности импульсов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) по синусоидальному закону, которые на тактовой частоте сдвинуты относительно друг друга на угол π. Затем эти импульсы с помощью логических устройств 35, 36 (после предварительного усиления и гальванической развязки) распределяют по шести транзисторным ключам инверторов 1 и 2 соответственно. Требуемая синхронизация работы блоков 31, 32, 33 обеспечивается таймером 34. Функции стабилизации выходного напряжения и защиты от перегрузок по току осуществляются вспомогательной частью системы управления 37.

1. Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией, содержащий шесть силовых фазных транзисторных полублоков, которые своими силовыми входами подключены к шинам питания постоянного тока, а выходами - к первичным обмоткам фазных трансформаторных узлов, вторичные фазные обмотки которых соединены пофазно согласно последовательно и подключены ко входным выводам трехфазного фильтра, выходные выводы которых образуют выход преобразователя, а также блок управления фазными транзисторными полублоками, формирующий две трехфазные системы сигналов с широтно-импульсной модуляцией, сдвинутые на тактовой частоте f_T на угол π, для управления ключевыми элементами фазных транзисторных полублоков, отличающийся тем, что трансформаторные узлы выполнены в виде двух трехфазных трансформаторов, первая половина из трех фазных полублоков, принадлежащих трем разным фазам, выполнена в виде первого трехфазного инвертора напряжения по мостовой схеме на транзисторах с обратными диодами, который своим силовым входом подключен к шинам питания постоянного тока, вторая половина из трех фазных полублоков также выполнена по схеме трехфазного инвертора напряжения, своим силовым входом подключенного аналогично к шинам питания постоянного тока, а выходы первого и второго трехфазных инверторов напряжения подключены к трехфазной первичной обмотке одного из двух трехфазных трансформаторов напряжения.

2. Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией по п.1, отличающийся тем, что каждый из двух трехфазных трансформаторов выполнен на трех однофазных магнитопроводах, а первичные трехфазные обмотки каждого из них соединены по схеме «треугольник».

3. Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией по п.1, отличающийся тем, что каждый из двух трехфазных трансформаторов выполнен на одном трехфазном магнитопроводе, а первичные трехфазные обмотки каждого из них соединены по схеме «треугольник» или «звезда».