Источник синусоидального напряжения

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника синусоидального напряжения в системах электроснабжения автономных объектов.

Известен источник синусоидального напряжения, содержащий функционально включенные аккумуляторную батарею, шины постоянного тока, инвертор, трехфазный фильтр, содержащий LC-контуры и клеммы для подключения нагрузки, причем трехфазный фильтр содержит первый, второй и третий фильтры фаз, каждый из которых содержит согласующий трансформатор, первичная обмотка которого включена между соответствующим выходом инвертора и клеммой для подключения нагрузки, а вторичная обмотка образует последовательный замкнутый контур с контурами пятой и седьмой гармоник, при этом каждый из контуров пятой и седьмой гармоник содержит двухобмоточный дроссель, включенный по трансформаторной схеме, первичная обмотка которого соединена параллельно с соответствующим конденсатором, причем точка соединения конденсаторов контуров пятой и седьмой гармоник соединена с точкой соединения первичных обмоток дросселей контуров пятой и седьмой гармоник, а вторичная обмотка каждого из дросселей указанных контуров подключена к входу соответствующего выпрямителя контуров, выход которого подключен к шинам постоянного тока [1]. Данный источник прост по структуре, имеет сравнительно высокий КПД, рациональную массу и габариты. Кроме того, энергия высших гармоник используется для подзаряда аккумуляторной батареи, однако ему свойственны и недостатки, среди которых основным является значительный коэффициент искажения синусоидальности напряжения, превышающий 10%, что ограничивает область применения источника, поскольку наличие гармоник оказывает вредное влияние на работу объектов.

Техническим результатом изобретения является уменьшение коэффициента искажения при использовании меньшего числа выпрямителей.

Требуемый технический результат достигается тем, что в источнике синусоидального напряжения, содержащим функционально включенные аккумуляторную батарею, шины постоянного тока, инвертор, трехфазный фильтр 5-й и 7-й гармоник, содержащий LC-контуры и клеммы для подключения нагрузки, причем указанный фильтр содержит фильтры первой, второй и третьей фаз, при этом фильтр каждой из фаз содержит согласующий трансформатор, первичная обмотка которого включена между соответствующими выходами инвертора и клеммой для. подключения нагрузки, а вторичная обмотка образует последовательную замкнутую цепь с контурами высших гармоник, при этом каждый из контуров указанных гармоник содержит двухобмоточный дроссель, включенный по трансформаторной схеме, первичная обмотка которого соединена параллельно с соответствующим конденсатором, причем точка соединения конденсаторов контуров высших гармоник соединена с точкой соединения первичных обмоток дросселей контуров указанных гармоник, фильтр каждой фазы выполнен из первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого, девятого, десятого, одиннадцатого и двенадцатого параллельных LC-контуров, при этом первый LC-контур рассчитан на 5-ю гармонику, второй LC-контур рассчитан на 7-ю гармонику, третий LC-контур рассчитан на 11-ю гармонику, четвертый LC-контур рассчитан на 13-ю гармонику, пятый LC-контур рассчитан на 17-ю гармонику, шестой LC-контур рассчитан на 19-ю гармонику, седьмой LC-контур рассчитан на 23-ю гармонику, восьмой LC-контур рассчитан на 25-ю гармонику, девятый LC-контур рассчитан на 29-ю гармонику, десятый LC-контур рассчитан на 31-ю гармонику, одиннадцатый LC-контур рассчитан на 35-ю гармонику, двенадцатый LC-контур рассчитан на 37-ю гармонику, соответственно, при этом первый вывод вторичной обмотки согласующего трансформатора каждой фазы подключен к точке соединения конденсатора и катушки индуктивности первого LC-контура, второй вывод названной обмотки подключен к точке соединения конденсатора и катушки индуктивности двенадцатого LC-контура, а вторичные обмотки каждого из дросселей каждого из фильтров фаз соединены последовательно между собой, образуя последовательную цепь фазы, подключенную к входу выпрямителя фазы, выход которого подключен к шине постоянного тока, при этом указанные цепи фаз включены параллельно.

На фиг. 1 изображена схема входной части источника. На фиг. 2 показана схема выходной части источника.

Источник синусоидального напряжения (фиг. 1) содержит аккумуляторную батарею 1, шины постоянного тока 2, трехфазный инвертор 3, трехфазный фильтр 4 и клеммы для подключения нагрузки 8, причем указанный фильтр 4 содержит фильтр первой фазы 5 с LC-контурами, фильтр второй фазы 6 с LC-контурами и фильтр третьей фазы 7 с LC-контурами, при этом каждый из фильтров фаз выполнен по идентичной схеме и содержит согласующий трансформатор 5-1 (6-1, 7-1) с LC-контурами пятой гармоники 5-2 (6-2, 7-2), LC-контурами седьмой гармоники 5-3 (6-3, 7-3), LC-контурами одиннадцатой гармоники 5-11 (6-11, 7-11), LC-контурами тринадцатой гармоники 5-13 (6-13, 7-13), LC-контурами семнадцатой гармоники 5-17 (6-17, 7-17), LC-контурами девятнадцатой гармоники 5-19 (6-19, 7-19), LC-контурами двадцать третьей гармоники 5-23 (6-23, 7-23), LC-контурами двадцать пятой гармоники 5-25 (6-25, 7-25), LC-контурами двадцать девятой гармоники 5-29 (6-29, 7-29), LC-контурами тридцать первой гармоники 5-31 (6-31, 7-31), LC-контурами тридцать пятой гармоники 5-35 (6-35, 7-35) и LC-контурами тридцать седьмой гармоники 5-37 (6-37, 7-37), как показано в таблице 1, причем контур пятой гармоники 5-2 (6-2, 7-2) содержит дроссель 5-4 (6-4, 7-4), включенный по трансформаторной схеме, и конденсатор 5-6 (6-6, 7-6), контур седьмой гармоники 5-3 (6-3, 7-3) содержит дроссель 5-5 (6-5, 7-5), включенный по трансформаторной схеме, и конденсатор 5-7 (6-7, 7-7), контур одиннадцатой гармоники 5-11 (6-11, 7-11) содержит дроссель 5-12 (6-12, 7-12), включенный по трансформаторной схеме, и конденсатор 5-14 (6-14, 7-14), контур тринадцатой гармоники 5-13 (6-13, 7-13) содержит дроссель 5-16 (6-16, 7-16), включенный по трансформаторной схеме, и конденсатор 5-18 (6-18, 7-18), контур семнадцатой гармоники 5-17 (6-17, 7-17) содержит дроссель 5-20 (6-20, 7-20), включенный по трансформаторной схеме, и конденсатор 5-22(6-22, 7-22), контур девятнадцатой гармоники 5-19 (6-19, 7-19) содержит дроссель 5-24 (6-24, 7-24), включенный по трансформаторной схеме, и конденсатор 5-26 (6-26, 7-26), контур двадцать третьей гармоники 5-23 (6-23, 7-23) содержит дроссель 5-28 (6-28, 7-28), включенный по трансформаторной схеме, и конденсатор 5-30 (6-30, 7-30), контур двадцать пятой гармоники 5-25 (6-25, 7-25) содержит дроссель 5-32 (6-32, 7-32), включенный по трансформаторной схеме, и конденсатор 5-34 (6-34, 7-34), контур двадцать девятой гармоники 5-29 (6-29, 7-29) содержит дроссель 5-36 (6-36, 7-36), включенный по трансформаторной схеме, и конденсатор 5-38 (6-38, 7-38), контур тридцать первой гармоники 5-31 (6-31, 7-31) содержит дроссель 5-40 (6-40, 7-40), включенный по трансформаторной схеме, и конденсатор 5-42 (6-42, 7-42), контур тридцать пятой гармоники 5-35 (6-35, 7-35) содержит дроссель 5-44 (6-44, 7-44), включенный по трансформаторной схеме, и конденсатор 5-46 (6-46, 7-46), контур тридцать седьмой гармоники 5-37 (6-37, 7-37) содержит дроссель 5-48 (6-48, 7-48), включенный по трансформаторной схеме, и конденсатор 5-50 (6-50, 7-50), как показано в таблице 2, последовательную цепь первой фазы 9 (фиг. 2), выпрямитель первой фазы 10, последовательную цепь второй фазы 11, выпрямитель второй фазы 12, последовательную цепь третьей фазы 13, выпрямитель третьей фазы 14, причем аккумуляторная батарея 1 является источником электроэнергии, напряжение которой образует шины постоянного тока 2, к которым подключен трехфазный инвертор 3, предназначенный для преобразования постоянного тока в трехфазный переменный ток, напряжение которого имеет форму неполного прямоугольника. Для улучшения качества переменного напряжения применен трехфазный фильтр 4, подключенный к указанному инвертору 3, каждая фаза фильтра 4 выполнена по идентичной схеме, при этом фильтры фаз 5, 6 и 7 подключены к выходу инвертора 3 (не обозначен) с помощью согласующих трансформаторов 5-1 (6-1, 7-1), первичные обмотки которых включены в рассечку фаз между соответствующим выходом инвертора 3 и соответствующей клеммой для подключения нагрузки 8 (8-1, 8-2, 8-3). Вторичные обмотки названных трансформаторов 5-1 (6-1, 7-1) включены последовательно с параллельными LC-контурами (не обозначены) пятой, седьмой, одиннадцатой, тринадцатой, семнадцатой, девятнадцатой, двадцать третьей, двадцать пятой, двадцать девятой, тридцать первой, тридцать пятой и тридцать седьмой гармоник, при этом первичные обмотки дросселей 5-4…5-48 (6-4…6-48, 7-4…7-48) соединены последовательно, а общие точки их включения (не обозначены) соединены с общими точками включения соответствующих конденсаторов 5-6 (6-6,7-6), 5-7 (6-7, 7-7)…5-50 (6-50, 7-50) (табл.2) перемычками (не обозначены), причем вторичные обмотки (не обозначены) каждого из дросселей 5-4 (6-4, 7-4)…5-48 (6-48, 7-48) каждого из фильтров фаз 5, 6 и 7 соединены последовательно между собой, образуя последовательную цепь первой фазы 9, последовательную цепь второй вазы 11, последовательную цепь третьей фазы 13, причем указанная цепь 9 подключена параллельно к выпрямителю первой фазы 10, указанная цепь 11 подключена параллельно к выпрямителю второй фазы 12, указанная третья цепь 13 подключена параллельно к выпрямителю третьей фазы 14, а указанные выпрямители фаз 10, 12, 14 соединены выходами с шинами постоянного тока 2. Все элементы схемы источника серийно выпускаются отечественной промышленностью.

Источник работает следующим образом. В статическом режиме (при неизменной нагрузке) аккумуляторная батарея 1 обеспечивает напряжение на шинах постоянного тока 2, а инвертор 3 преобразует указанное напряжение в трехфазное переменное напряжение в форме неполного прямоугольника. Данная форма характеризуется тем, что в ней присутствуют все высшие нежелательные гармоники от 5 до 37, наличие которых в напряжении питания большинства потребителей переменного тока недопустимо. Нейтрализация указанных гармоник осуществляется с помощью LC-контуров, настроенных в общем случае на частоты колебаний, соответствующие номеру гармоники. Поскольку схемы фильтров фаз 5, 6 и 7 идентичны, то частотами колебаний в них являются применительно к фильтру фазы 5 трехфазного фильтра 4: в контуре 5-2 частота равна 250 Гц, в контуре 5-3 частота равна 350 Гц, в контуре 5-11 частота равна 550 Гц, в контуре 5-13 частота равна 650 Гц, в контуре 5-17 частота равна 850 Гц, в контуре 5-19 частота равна 950 Гц, в контуре 5-23 частота равна 1150 Гц, в контуре 5-25 частота равна 1250 Гц, в контуре 5-29 частота равна 1450 Гц, в контуре 5-31 частота равна 1550 Гц, в контуре 5-35 частота равна 1750 Гц, в контуре 5-37 частота равна 1850 Гц. В указанных контурах осуществляются электрические колебания с помощью вторичных обмоток согласующих трансформаторов 5-1 (6-1, 7-1). Напряжения гармоник снимаются со вторичных последовательно включенных обмоток дросселей 5-4 (6-4, 7-4), 5-5 (6-5, 7-5), 5-12 (6-12, 7-12), 5-16 (6-16, 7-16), 5-20 (6-20, 7-20), 5-24 (6-24, 7-24), 5-28 (6-28, 7-28), 5-32 (6-32, 7-32), 5-36 (6-36, 7-36), 5-40 (6-40, 7-40), 5-44 (6-44, 7-44), 5-48 (6-48, 7-48) и поступают на выпрямители фаз 10, 12 и 14, где выпрямляются. Выпрямленные напряжения названных выпрямителей поступают на шины постоянного тока 2, что обеспечивает подзаряд указанной батареи 1. Согласование напряжения в схеме на любом ее участке обеспечивается путем изменения коэффициента трансформации согласующих трансформаторов фильтров фаз 5-1 (6-1, 7-1) и дросселей 5-4…7-48 трехфазного фильтра 4. В динамическом режиме (при величине нагрузки, изменяемой в заданном диапазоне) алгоритм работы источника является аналогичным вышеописанному.

Таким образом, требуемый результат достигается за счет селекции высших гармоник из напряжения инвертора, что обеспечивает существенное снижение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения инвертора.

Источники информации

1. Патент РФ на изобретение 2377710, МПК Н02М 3/02, Н02М 7/42. Источник переменного напряжения с рекуперацией энергии/ Н.П. Кириллов, С.Л. Рудницкий. Заявка 2008150730/09 от 23.12.2008; опубл. 27.12.2009, бюл. №36.