Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик
{51)М. Кл. Н 02 М 7/48 Гееудерстеенный кеантет Опубликовано 30.01.83.Бюллетень Юе 4 Дата опубликования описания 30.01.83 йе денем нзееретеннй н еткрытий {53) УДК 621. 314. 572 (088. 8) (72) Автор изобретения А.И. Азаров Красноярский политехнический институт (7l ) Заявитель (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ТРЕХфАЗНОЕ КВАЗИСИНУСОИДАЛЬНОЕ Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть.использовано в системах электропитания и электропривода для преобразования постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное. Известен трехфазный инвертор, содержащий трехфазный мост управляемых ключей, подключенный к входным выводам, дополнительную двухтактную о ячейку, выход которой подключен между выводом для подключения средней точки источника питания и выводом для подключения нулевой точки трехфазной нагрузки, причем двухтактная ячейка имеет дополнительный выход, который подключен через дополнительные управляемые ключи переменного тока к выходу трехфазного моста и к вы" воду для подключения нулевой точки го трехфазной нагрузки . На выходе. трехфазного моста формируется двухступенчатое напряжение, коэффициент гармоник которого равен К„ = 31,083. Это 2 напряжение суммируется с напряжением двухтактной ячейки, работающей на час" тоте, превышающей выходную в три раза и на нагрузке формируется трехфазное трехступенчатое напряжение с К 1,23. Для согласования уровней постоянного входного и переменного выходного напряжений требуется включение выходного трансформатора, ра" ботающего на выходной частоте инвертора. Это увеличивает массу и габа" риты, ухудшает энергетические и динамические показатели инвертора. Кроме того, инвертор имеет ограниченные функциональные возможности, так как требуются выводы от средней точки источника питания и нулевой точки трехфазной нагрузки, что не всегда возможно выполнить 1 1 Недостатком данного инвертора является несинусоидальная форма кри" вой выходного напряжения, большая масса и габариты, ограниченные функциональные возможности. 3 9934 Известен также преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное, содержащий основной однофаэ ный генератор с основным выходным трансформатором, три вторичные обмотки которого содержат отводы от средних точек и соединены через три первых ключа переменного тока в эамк нутый треугольник, вершины которого соединены непосредственно с выходны ми выводами преобразователя, и вспомогательный. инвертор с вспомогательным выходным трансформатором, содержащим три вторичные обмотки, каждая из которых включена через второй 15 ключ переменного тока между указанным отводом и противоположной вершиной треугольника. Основной и вспомогательный инверторы работают на частотах, превышающих выходную частоту преобразователя в три и шесть раз соответственно. При этом фаза выходного напряжения вспомогательного инвертора меняется на 180 эп.град. через каждый полупериод выходного напряжения преобразователя. Суммируя выходные напряжения основного и вспомогательного инверторов на отдельных интервалах, Формируют трехфазное трехступенчатое напряжение, коэффициент гармоник которого равен 15,24 j 2 J. Недостатком указанного преобразователя являются несинусоидальная форма кривой выходного напряжения, относительно большое число ключей переменного тока, включенных на вторичной стороне трансформатора. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь постоянного напряже-, 4О ния в трехфазное квазисинусоядальное, содержащий основной и вспомогательный однофазные инверторы, нагруженные, соответственно, на первичные обмотки основного и вспомогательного трансформаторов, вторичные обмотки 45 которых соединены в две фазы и включены по схеме открытого треугольника, вершины которого непосредственно связаны с выходными выводами преобразователя, а каждая иэ указанных фаэ содержит две параллельные ветви, в одну иэ которых включены последовательно обмотки основного и вспомогательного трансформаторов, а в другуюобмотка основного трансформатора, причем одни концы ветвей соединены между собой непосредственно, а другие - через ключи переменного тока. 11 4 Выходное трехфазное напряжение преобразователя имеет трехступенчатую форму и создается путем суммирования или вы чи тания í an ряжени и втор ич ных обмоток основного и вспомогательного трансформаторов (3 ). Недостатком известного преобразова" теля является несинусоидальная форма кри вой вых одно го í an р я жени я, в которой содержатся высшие гармоники с порядковыми номерами и = 11,13,23, 25,...,. а коэффициент гармоник этого напряжения равен 15,24. Это приводит к увеличению потерь в потребителе или необходимости установки выходных фильтров. Цель изобретения - улучшение качества выходного напряжения путем формирования и ступенчатой, близкой к синусоидальной, формы кривой выходного напряжения. Указанная цель достигается тем, что в преобразователе постоянного напряжения в трехфазное кваэисинусоидальное, содержащем основной и вспомогательный однофазные инверторы, нагрух<енные, соответственно, на первичные обмотки основного и вспомогательного трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены в две фазы, включенные по схеме открытого тре" угольника, вершины которого непосредственно связаны с выходными выводами преобразователя, причем каждая из указанных фаз содержит две параллельные ветви, в первую из которых включена вторичная обмотка основного трансформатора, а во вторую - последовательно включены вторичные обмотки основного и вспомогательного трансформаторов, причем одни концы этих ветвей соединены между собой непосредственно, а другие " через ключи переменного тока, он снабжен m-1 вспомогательными однофазными инверторами, выходы которых соединены с первичными об" мотками ш-1 вспомогательных трансформаторов, содержащих по две вторичных обмотки, каждая из которых включена последовательно в упомянутую вторую ветвь каждой из двух фаэ, причем коэффициенты трансформации основного трансформатора по вториче м обмоткам К „, К включенным в первую и вторую ветви каждой фазы, а также коэффициент трансформации i--ro вспо3934 могательного трансформатора К1 выбирают .из соотношения К . К .К,-(M+1). М+1 М о1 о2 1 2 5 где и = 3 - число ступеней на шестой части периода выходного напряжения; m - "общее число вспомогательных транс" форматоров; i = 1,2,3,..., и - порядковый номер вспомогательного трансформатора. На фиг . 1 представлена схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2формы напряжений на обмотках трансфор матора, временная диаграмма импульсов управления ключами и форма выходного линейного напряжения для случая m = = 2, и = 9 ° е Преобразователь содержит основной и вспомогательный инверторы 1 и 2, выходы которых соеди нены сост ветст» венно с первичными обмотками трансформаторов 3 и 4, вторичные обмотки 5-10 которых соединены через ключи переменного тока 11-14 с выходными выводами преобразователя. Кроме того, преобразователь содержит однофазный вспомогательный инвертор 15 и трансформатор 16, подключенный к его выходу, вторичные обмотки 17 и 18 которого включены последовательно с вторичными обмотками основного и вспомогательно" го тр ан сфор ма торо в. Устройство работает следующим об" разом. Однофазные инверторы 1, 2 и 15 синхронизированы и управляются таким образом, что на их выходах создаются переменные напряжения U „ U „, 0: 1, формы которых представлены на фиг.2а, Управление ключами осуществляется импульсами напряжения, дйаграмма KctTo» рых представлена на фиг. 2б. Причем импульсы, соответствующие графику Ц,„ подаются на ключ 11»графику 0> 12 на ключ 12 и т.д. Для получения вы" ходного напряжения, близкого по фор» ме к синусоидальному, амплитуды его ступеней выбирают из условия постоянства разности амплитуд двух любых смежных ступеней. При этом амплитуды ступеней отсчитываются от оси абсцисс (фиг. 2в). Длительность каждой ступени с первой по девятую включительно равна М /27, а длительность де» 55 сятой ступени равна Х/3 эл.град. Кривая с такими параметрами ступеней имеет коэффициент гармоник 5,23. Для 11 6 получения напряжения с указанными ам" пл итудами ступеней вели чи ны напряже" ний на вторичных обмотках 5-10 о5-Цщ«) и 17,18 (Uo,.-Цщ ) трансформаторов 3, 4 и 16 должны оыть связаны с амплитудами первой U третьей 03, пятой 05 и десятой 01о ступеней выходного линейного напряжения следующим образом: вп 48 1» 03 ЯО 3» 0o5=- Оо = 05» "оь= Uos 4о» т.е. отношение коэффициентов транс" формации основного трансформатора по обмоткам 6 и 8, включенным в первые ветви, и по обмоткам 5 и 7, включен" ным во вторые ветви фаэ, а также вспомогательных трансформаторов 4 и 16 следует выбирать из, соотношения: Ко1 KP2 К4 К16 10:5:3: l. Для случая m вспомогательных трансформаторов коэффициенты трансформа" ции основного трансформатора по вто" ричным обмоткам, включенным в первую и вторую ветви фаз преобразователя, а также коэффициент трансформации 1-го вспомогательного трансформатора выбирают из соотношения: К0 рК0р где t4 = 3" - число ступеней на шестой части периода выходного напряжения; в- общее число вспомогательных транс". форматоров; » = 1,2,..., m - порядко» вый номер вспомогательного трансформатора. При m = 1,2,3,4,...; соответствующее число ступеней на шестой части периода выходного напряжения будет равно и = 3,9,17,81,... Задавая необходимое число ступеней из этого ряда, можно определить необкодимое число вспомогательных трансформаторов m = 1оцЭЙ. формирование пятой и десятой ступеней выходного напря" жения осуществляют путем подключения обмоток 5, 7 или 6, 8 к соответствующим выходным выводам преобразователя, Остальные ступени формируют путем суммирования или вычитания на" пряжений обмоток 5, 9, 17 или 7» l0, 18 ° Например, амплитуды ступеней с первой по девятую определяют" ся следующим образом: 01 — 0 - ОЗ вЂ” 01» 0 = 0 + 01» 02 = О 0 » 0 = 05ПЭ 01» "3 ОХ "3 "1» "6 = 05+ 1З» 04 5 " 09 = 05+ОЭ+ Ол 7,993 Полупериод выходного напряжения можно разбить на 27 равных интервалов (элементарных ступеней). На первом интервале замыкают ключи 11 и 14. При этом к выводам А и В прикладывается алгебраическая сумма напряжений обмоток 5, 9.и 17, равная UASg U05 09 "o ь "3 = 01 1а к выводам В и С - напряжение обМотки 8 uUgc4- UUo8— к выводам С и А ЯГ ЬВ1 ВС1 1 МО 9 В результате формируются первая положительная, десятая отрицательная и девятая положительная ступени линейных напряжений ОЯВ, ОВс, U На втором и нтерв але исчезает на" щ пряжение на обмотках трансформатора 1б (фиг. 2а), а замкнутыми остают" ся те же ключи, поэтому линейные напряжения становятся равными: ЦЩ2 = 1 о U09= U5 U3 = 1 2. 25 ВС2 06 . 1Э СЯ2 1 АВ 2 USu 12 10 "8 т,е. формируются вторая положительНая, десятая отрицательная и восьмая положительная ступени линейных найряжений UAs Uec> UcA На третьем интервале меняется полярность напряжений на обмотках трансформатора 16, а к выходным выводам преобразователя остаются подключенные те же обмотки, поэтому Ц 8 Ueg UOg" aqq = U5 "В+ "1 = 0э, ЪСз= UO8= -U "СА "АВЗ + "ВСЗ = "3 "10 = При этом формируются третья положительная, десятая отрицательная и седьмая положительная ступени линейных напряжений. На следующих интервалах работа преобразователя происходит аналогично описанному в соответствии с формами напряжений на обмотках трансформаторов и диаграммой импульсов управления ключами . В результате работы преобразователя на его выходе создается десятиступенчатое напряжение, форма которого представлена на фиг.2в. Подключение любой ветви схемы с помощью ключей переменного тока обеспечивает возможность прохождения тока в двух направлениях и постоянство разМ1 8 ности потенциалов фаз в течение каждого интервала. Это обуславливает работоспособность преобразователя при любом коэффициенте мощности нагрузки с неизменной формой кривой выходного напряжения, 1 Предлагаемый преобразователь обладает теми преимуществами по сравнению с известным, что имеет лучшую форму кривой выходного напряжения (десятиступенчатую вместо трехступенчатой ), коэффициент гармоник которой равен Кг = 5,23 вместо Кг == 15,23 в прототипе; обладает более высоким КПД и быстродействием, жесткой внешней характеристикой, лучшей симметрией выходных напряжений, независимостью их от величины и характера нагрузки, отсутствием возможных автоколебаний в системе преобразователь-нагрузка за счет исключения вью ходных фильтров. Кроме того, позволяет более полно компенсировать реактивную мощность нагрузки, передавая ее из фазы в фазу, а следовательно, уменьшить емкость конденсаторов, ус" танавливаемых на входе преобразовате" ля, Важным достоинством предлагаемой схемы преобразователя является также то обстоятельство, что с увеличением количества ступеней выходного напряжения число ключей переменного тока в выходных цепях преобразователя остается равным 4. Это благоприятно сказывается на надежность работы преоб" разователя, так как увеличение числа ключей на вторичных сторонах трансформаторов более нежелательно, чем на первичных из-за большей сложности ключей, меньшей надежности их коммутации, обусловленной бол ьшими величи" нами напряжений, прикладываемых к ключам и более сложными устройствами коммутации. При этом, использование указанных выше соотношений между коэффициентами трансформации основного и вспомогательного трансформаторов позволяет значительно улучшить форму кривой выходного напряжения без существенного усложнения схемы. При добавлении одного вспомогательного инвертора и трансформатора число ступеней на шестой части периода выходного напряжения увеличивается в три раза. Например, использование трех вспомогательных трансформаторов позволяет сформировать кривую с 27-п ступенями на шестой части периода, т.е. 9 9934 получить практически синусоидальную форму. При этом амплитуды прямоугольных напряжений втор ичных обмоток основного трансформатора, включенных в первую и вторую ветви фаз, а также трех вспомогательных трансформаторов должны относиться между собой как 28:14:9:3:1 и связаны с амплитудами ступеней формируемого напряжения следующим образом: 1О рв1=. ОИ Отро2= О-И ОП В1= Оя ° 03 Отрвз О а ступени линейных напряжений форми" .руют путем суммировайия или вычитайия этих напряжений: 15 01 014 09- 03- 01, 02= 014 09 03 ° 03= 014 09 01, 04= ОЦ.- 09- 01, Uy=014 09, 06 = 014 0 9+ 01 014 09 03 01 08 01+ 09+ 03i 09 = 014 0 Я 03 "1 01О= U14 03 01, 011= 014» Ug 01, = 0„4- 03 + +01, 01 = 014- 0„, 014= ТР02 075 = 014+ "1 ° 01Ь= 014 03 01 .» 011= 014+ 03 018 014 03 01 019= 014 09 03 01 ° 020= 014++09 03» 021= 014 + 09 — 03 01 s 022= = 0144 09 —. 01, 023= 014+09, 024= = 014+ 09 + 01 025= 014+ Оэ+ 03= ЭО -U1 026= 014+09+ 03 U = = 014 "9 03 01 Дальнейшее увеличение числа вспомогательных трансформаторов приводит к резкому возрастанию количества сту-З пеней, Так, использование 4-х вспомогательных трансформаторов позволяет сформировать кривую с 81-ой ступенью на шестой части периода выходного напряжения. о 11 10 треугольника, вершины которого связаны с выходными выводами преобразователя, причем каждая из указанных фаз содержит две параллельные ветви, в первую из которых включена вторичная обмотка основного трансформатора, а во вторую - последовательно включе" Hbl вторичные обмотки основного и вспомогательного трансформаторов, одни концы этих ветвей соединены между со" бой непосредственно, а другие " через ключи переменного тока, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения путем формирования Ж-ступенчатой, близкои к синусоидальной, формы кривой выходного напряжения, он снабжен е -1-вспомогательными однофазными инверторами, выходы. которых соединены с первичными обмотками П1 1-acno" могательных трансформаторов, содержащих по две вторичных обмотки, каждая из которых включена последовательно ° в упомянутую вторую ветвь каждой из двух фаз, причем коэффициенты транс" формации основного трансформатора по вторичным обмоткам КО1, Кл, вклю" ченным в первую и вторую ветви фаэ, а также коэффициент трансформации 1 ""го вспомогательного трансформатора К; выбирают из соотношения где Й =.3п - число ступеней на шестой части периода. выходного напряжения; т - общее число вспомогательных трансформаторов; j - =1,2...,, m - порядковый номер вспомогательного трансформатора. формула изобретения Преобразователь постоянного напря-g жения в трехфазное квазисинусоидаль-. кое, содержащий основной и вспомогательный однофазные инверторы, нагру" женные, соответственно, на первич" ные обмотки основного и вспомогательного трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены- в две фа" зы, включенные по схеме открытого Источники информации,, принятые во внимание при экспертизе 1, Авторское свидетельство СССР N 652670, кл. H 02 М 7/515, 1979. 2. Авторское свидетельство СССР по заявке И 2994255/07, кл. Н 02 и 7/55, 1980. 3. Авторское свидетельство СССР по заявке У 3000673. кл. Н 02 И 7/48, 1980, 993" 11 Урр,у тр4 Ото sg Фу 11 13 Ю М Ивс из. г Составитель . Иыцык Редактор В.Пилипенко Техред О. Не е Корректор H. Дем ик Заказ 99/73 Тираж 685 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР . по делам изобретений и открытий 113035 Москва Ж«35 Раувская наб. д. 4/5 ее »»»»» Зв»»« кk» »«»»»«»»» 2. Г Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 
