Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией



Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией
Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией

 


Владельцы патента RU 2563247:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации (RU)
Акционерное общество "Головное особое конструкторское бюро "Прожектор" (АО "ГОКБ "Прожектор") (RU)

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 fТ 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 КГ(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 fт 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 fт. 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 2fт. 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 fт 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 2ЕП, где ЕП - 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 fт 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 fT) 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 ua(t), uв(t), uc(t) синусоидальной формы, поступающих от трехфазного задатчика сигналов 33, с развертывающими сигналами up1(t) и up2(t) треугольной формы тактовой частоты fT, которые сдвинуты между собой по фазе на угол π. Сигнал up1(t) вырабатывается в блоке 31, а сигнал up2(t) - в блоке 32. Трехфазный задатчик сигналов 33 выполняется регулируемым по уровню. Тактовую частоту fT 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 fT 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».



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу эксплуатации блока генерирования озона. Способ включает стадию, на которой в устройство генерирования озона подают поток содержащего кислород газа и стадию, на которой управляют потоком содержащего кислород газа, и управляют мощностью, которую подают из блока питания в устройство генерирования озона так, чтобы получить из устройства генерирования озона заданный выход озона, и так, чтобы обеспечить уменьшение потребления ресурсов, включая содержащий кислород газ и мощность, подаваемую из блока питания.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления трехфазными автономными инверторами с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), в частности, для частотного регулирования скорости асинхронного двигателя.

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.

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и является устройством, реализующим энергетически эффективный импульсный способ регулирования мощности, передаваемой в нагрузку.

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано, например, в системах регулируемого электропривода переменного тока и в системах вторичного электропитания.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления преобразовательными схемами. Технический результат - обеспечение демпфирования нежелательных токов в преобразовательных системах.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразователях мощности. Технический результат - повышение коэффициента мощности и коэффициента полезного действия.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в импульсном сварочном источнике питания. Техническим результатом является обеспечение быстрого реагирования на быстро происходящие события в сварочной дуге, возникающие с интервалами времени менее 1 мс.

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и является DC/DC-преобразователем с трансформаторной связью между источником питания и нагрузкой. Технический результат заключается в повышении эффективности и надежности заявленного устройства.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к сварочному оборудованию, в частности к управлению сварочными инверторами. Технический результат заключается в снижении дисперсии силового тока и снижении обрыва дуги и технологических коротких замыканий.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для формирования изменяемого по частоте выходного напряжения. Техническим результатом является снижение потерь выпрямителя тока.

Изобретение относится к электромеханике и может быть использовано для преобразования электрической энергии в механическую энергию в шаговых двигателях, электромагнитных метателях, электромагнитных отбойных молотках, прессах, штамповочном оборудовании и т.д.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электромеханической трансмиссии гибридного транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания, высоковольтными электрическими машинами и низковольтной аккумуляторной батареей, используемой для запуска двигателя внутреннего сгорания.

Многоуровневый преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного тока, содержащий три входа (IN1, IN2, IN3) постоянного тока для приема, соответственно, трех напряжений (V1, V2, V3), так что V1>V2>V3, один выход (OUT1) переменного тока для передачи напряжения (Va) переменного тока, группу по меньшей мере из шести переключающих элементов (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6), расположенных в виде симметричной пирамидальной схемы, как показано на Фиг.1, и схему управления переключением для управления состояниями «замкнуто»/«разомкнуто» (ON/OFF) каждого из шести переключающих элементов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления преобразователем. Технический результат - улучшение балансировки внутреннего состояния электрического преобразователя, управляемого способом широтно-импульсной модуляции.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления преобразовательными схемами. Технический результат - обеспечение демпфирования нежелательных токов в преобразовательных системах.

Группа изобретений относится к области электротехники. В настоящей группе изобретений раскрыта конструкция многослойной шины для использования в трехуровневом силовом преобразователе и силовой преобразователь.

Изобретение относится к устройству инвертора, которое принимает DC мощность из общей шины (15) DC и возбуждает нагрузку. Конфигурация является такой, что переключающий элемент (SW1) размещен в первом пути тока, в котором ток протекает через DC вывод (P) положительной стороны при подаче питания, обратно подключенный диод D1 размещен во втором пути тока, в котором ток протекает через DC вывод (P1) положительной стороны при рекуперации.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в прямых преобразователях. Технический результат - уменьшение нежелательных флуктуаций энергии на фазовых модулях.

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано при построении трехфазных инверторов в системах как основного, так и резервного электропитания автономных объектов, где уровень напряжения первичного источника требует повышения его трансформаторным путем.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике. Способ управления многофазным выпрямительным агрегатом осуществляется путем плавного регулирования выпрямленного напряжения, которое осуществляется изменением выходного напряжения трехфазного автономного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией, подключенного зажимами переменного тока ко входу низкочастотного фильтра (Г-образного), выходные зажимы которого подключены к первичной обмотке трехфазного согласующего трансформатора, который вторичными фазными обмотками подключен последовательно с сетевой обмоткой преобразовательного трансформатора.
Наверх