ТРЁХФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР, СОСТАВЛЕННЫЙ ИЗ ТРЕХ ОДНОФАЗНЫХ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве трехфазного инвертора повышенной мощности с улучшенным качеством выходного напряжения.

Известен трехфазный инвертор, составленный из трех однофазных мостовых инверторов, содержащий функционально соединенные клеммы питания, емкостный фильтр, первый однофазный инвертор, содержащий схему управления и силовой модуль, второй однофазный мостовой инвертор, содержащий схему управления и силовой модуль, третий однофазный мостовой инвертор, содержащий схему управления и силовой модуль, выходной трансформатор, содержащий сердечник, первичную трехфазную обмотку и вторичную трехфазную обмотку, фазы которой соединены с клеммами А, В и С для подключения нагрузки, причем фазы первичной обмотки соединены с указанными силовыми модулями инверторов [1].

Данный инвертор нашел широкое применение в системах автономного электроснабжения поскольку он позволяет получить большую мощность без последовательного или параллельного включения транзисторов или тиристоров. Кроме того, использование мостовых однофазных инверторов в общей трехфазной схеме инвертора позволяет повысить надежность инвертора в целом. Однако данному составному инвертору присущи и недостатки, среди которых наиболее значительным является сравнительно низкое качество выходного напряжения из-за большого числа гармоник в его спектре.

Техническим результат изобретения является повышение качества выходного напряжения за счет исключения из спектра пятой и седьмой гармоник.

Поставленный технический результат достигается тем, что в трехфазном инверторе, составленном из трех однофазных, содержащим функционально соединенные клеммы питания, емкостный фильтр, первый однофазный мостовой инвертор, содержащий схему управления и силовой модуль, второй однофазный мостовой инвертор, содержащий схему управления и силовой модуль, третий однофазный мостовой инвертор, содержащий схему управления и силовой модуль, выходной трансформатор, содержащий сердечник, первичную трехфазную обмотку и вторичную трехфазную обмотку, фазы которых соединены с клеммами А, В и С для подключения нагрузки, причем фазы первичной обмотки соединены с выходами силовых модулей соответствующих однофазных мостовых инверторов, а выходной трансформатор выполнен в виде электрической машины переменного тока с заторможенным ротором, содержащей внешний сердечник в виде полого цилиндра с пазами, расположенными на его внутренней поверхности, в которых размещены первичная и вторичная трехфазные обмотки и соосный ему внутренний сердечник, выполненный в форме кольца, при этом в каждой фазе каждая из входной и выходной обмоток выполнена из двух секций, кривая распределения проводников каждой из которых по пазам u_nx=ϕ(х), где u_nx - число проводников в пазах; х - расстояние вдоль окружности внутренней поверхности от точки отсчета имеет вид треугольника, кроме того указанные секции сдвинуты относительно друг друга на угол γ=π-2β, где β=nπ/v, n=1, 2, 3…, a ν - номер гармоники, которую необходимо уничтожить.

На фиг. 1 изображен график распределения линейной плотности проводников в расточке трехфазного трансформатора. На фиг. 2 показан принцип образования с трапецеидальным распределением плотности проводников обмотки из двух секций с кривой распределения плотности проводников в виде треугольника. На фиг. 3 представлено сечение сердечника трехфазного трансформатора. На фиг. 4 изображена структурная схема трехфазного инвертора, составленного из трех однофазных. Поскольку обмотка с трапецеидальной кривой распределения плотности проводников относится к обмоткам повышенной точности, то закон распределения линейной плотности проводников (фиг. 1) отличается наличием длительных участков, где указанная плотность обозначена через λ₀, а наиболее рациональным законом при λ₀=const является трапецеидальный. Одним из способов получения обмотки с трапецеидальной кривой распределения плотности является использование двух обмоток с кривой распределения плотности в виде треугольника (треугольных обмоток) с полным шагом, но сдвинутых относительно друг друга в пространстве на угол γ (фиг. 2), для чего используется шаг обмотки у, относительный шаг β, поэтому используя принцип образования трапецеидальной обмотки можно определить основные ее параметры:

отсюда шаг равен

для уничтожения какой-либо ν-гармоники, необходимо принять

где n=1, 2, 3 - целое число, откуда шаг обмотки будет равен

Если использовать формулы (1)…(4), то находим, что при уничтожении третей гармоники n=1, при уничтожении пятой гармоники n=2, а величину коэффициента, характеризующего уровень седьмой гармоники при условии, что β'=π/3 и β''=2π/5 можно найти по формуле

К₇=0,00053%

то есть амплитудой седьмой гармоники можно пренебречь.

Таким образом, выполнение первичной и вторичной трехфазных обмоток трапецеидальными позволяет получить обмоточные коэффициенты нежелательных гармоник в следующем виде

что доказывает, что трапецеидальная обмотка относится к классу точных обмоток. Трехфазный трансформатор конструктивно похож на электрическую машину переменного тока с заторможенным ротором и вид поперечного сечения его (фиг. 3) позволяет выделить следующие элементы при диаметре стали 1, который включает внешний сердечник 2 (в виде полого цилиндра), внутренний сердечник в форме кольца, первичную обмотку 4, которая состоит из двух секций 5 и вторичную обмотку 6, при этом указанные обмотки размещены в пазах с параллельными стенками. Структурная схема трехфазного инвертора содержит (фиг. 4) функционально соединенные клеммы питания 7, емкостный фильтр 8, первый однофазный мостовой инвертор 9, содержащий схему управления 9-1 силовой модуль 9-2; второй однофазный мостовой инвертор 10, содержащей схему управления 10-1 и силовой модуль 10-2, третий однофазный мостовой инвертор 11, содержащий схему управления 11-1 и силовой модуль 11-2, основными элементами трехфазного трансформатора 12 является внешний сердечник с пазами 12-1, фазы первичной обмотки 12-2, 12-3 и 12-4, вторичная трехфазная обмотка 12-5, соединенная с клеммами А, В и С для подключения нагрузки 13. Все элементы трехфазного инвертора серийно выпускаются отечественной промышленностью.

Трехфазный инвертор, составленный из трех однофазных, работает следующим образом.

При наличии напряжения на клеммах питания 7 в работу емкостный фильтр 8, которые уменьшает пульсации выходного напряжения. Отфильтрованная напряжение подается на схему управления 9-1 первого однофазного мостового инвертора 9, на схему управления 10-1 второго однофазного мостового инвертора 10 и на схему управления 11-1 третьего однофазного мостового инвертора 11, где формируются импульсы управления соответствующими силовыми модулями 9-2, 10-2 и 11-2. С выхода указанных модулей (не обозначены) напряжения поступают на фазы первичной обмотки 12-2, 12-3 и 12-4 выходного трансформатора 12. Поскольку в указанном трансформаторе соблюдаются все условия образования кругового вращающегося магнитного поля (КВМП), то в сердечнике 12-1 образуется магнитный поток, который наводит во вторичной обмотке 12-5 трехфазную ЭДС, используемую для питания потребителей с помощью клемм А, В и С для подключения нагрузки 13.

Требуемое качество напряжения на выходе инвертора достигается за счет конструкции трапецеидальных обмоток.

Источники информации

[1]. Электротехнический справочник. Том 2. Под ред. В.Г. Герасимова. М., МЭИ, 2003, стр. 471, рис. 37. 60.

[2]. Лопухина Е.М., Семенчуков Г.А. Проектирование асинхронных микродвигатели с применением ЭВМ. М., ВШ., 1980, стр. 77-82.