Результат интеллектуальной деятельности: ТРЕХФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ТРАНСФОРМАТОРНЫМ ВЫХОДОМ

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.

Известен трехфазный инвертор напряжения, 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 обмоткам одного из двух трехфазных трансформаторов. При этом два комплекта вторичных обмоток у одного из трансформаторов выполнены по схеме «зигзаг» и соединены пофазно последовательно с комплектом вторичных обмоток второго трансформатора, образуя выходные выводы трехфазного инвертора. Его фазные выходные напряжения имеют многоступенчатую форму (в виде 6 равновременных интервалов квантования напряжения 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 трехфазный инвертор напряжения, описанный на стр.5÷11 в [2]: журнал «Практическая силовая электроника», №5, 2005 г. Трехфазный инвертор выполнен в виде трех фазных блоков. Каждый фазный блок инвертора выполнен в виде двух фазных полублоков, каждый из которых содержит 6 соединенных последовательно по выходу и синхронно работающих инверторных ячеек по нулевой схеме. В целом инвертор содержит 36 инверторных ячеек. Выходы фазных полублоков в каждой фазе соединены последовательно. Алгоритм управления ключевыми элементами инверторных ячеек задается блоком управления, который формирует две трехфазные системы сигналов с ШИМ, сдвинутые между собой по фазе на тактовой частоте f_T на угол π, а внутри каждой трехфазной системы - на выходной частоте f₂ на угол 2π/3. Таким образом, формирование выходного фазного напряжения в каждом фазном полублоке осуществляется по алгоритму двухполярной ШИМ (ДШИМ) по синусоидальноиу закону, но с фазовым сдвигом сигналов управления между фазными полублоками на угол π на тактовой частоте f_T. 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_T. Наряду с известными достоинствами нулевые инверторные ячейки, на которых построен этот трехфазный инвертор напряжения, имеют следующий недостаток. Две первичные обмотки их трансформаторов работают попеременно. Из-за прерывания в них токов с тактовой частотой f_T на ключевых элементах возникают импульсные перенапряжения, обусловленные индуктивностями рассеяния этих обмоток. Работоспособность инверторной ячейки достигается введением специальных схемотехнических средств (называемых снабберными устройствами), нейтрализующих эти перенапряжения. Фактически их функциональная надежность определяет и надежность инвертора в целом. Кроме того, использование этих средств отрицательно сказывается и на КПД инвертора.

Вторым недостатком являются повышенные потери в трансформаторах инверторных ячеек. Поскольку они работают при резко несинусоидальном напряжении, то потери в магнитопроводе имеют повышенное значение (в результате перемагничивания стали магнитопровода по серии частных циклов, обусловленных высшими гармониками напряжения), а высшие гармоники тока в обмотках трансформатора создают дополнительные потери, вызванные поверхностным эффектом.

Таким образом, недостатками этого решения-прототипа является его структурная (и технологическая) сложность, а также невысокие КПД и надежность.

Технический эффект, который может быть получен при использовании изобретения, достигается тем, что в трехфазном инверторе напряжения, содержащем последовательно включенные инверторное звено, выполненное в виде трех пар фазных полублоков (по два фазных полублока на фазу), трансформаторное звено и трехфазный выходной фильтр, а также основной блок управления, формирующий две трехфазные системы сигналов с широтно-импульсной модуляцией, сдвинутые на тактовой частоте f_T на угол π, для управления ключевыми элементами фазных полублоков, инверторное звено выполнено в виде двух трехфазных инверторных мостов (с тремя стойками ключей в каждом мосте), каждая одноименная по фазе стойка ключей которых образует фазный полублок, кроме того, он снабжен тремя двухобмоточными трансфильтрами и трехфазным трансформатором, причем пара последовательно соединенных обмоток каждого из трех трансфильтров включена между одними одноименными по фазе выходными выводами трехфазных инверторных мостов, точки соединения этих двух обмоток в каждом трансфильтре образуют три результирующих вывода, которые подключены к трехфазному фильтру, выходные выводы которого подсоединены к первичной трехфазной обмотке согласующего трансформатора, а выходные выводы трехфазного инвертора образованы вторичной трехфазной обмоткой.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 показана силовая часть трехфазного инвертора с функциональной блок-схемой системы управления; на фиг.2 приведены осциллограммы выходного напряжения трехфазного инвертора до фильтра (вверху) и после фильтра (внизу), а также ток активно-индуктивной нагрузки (внизу).

Трехфазный инвертор напряжения с трансформаторным выходом на фиг.1 содержит два трехфазных инвертора напряжения 1 (ТИН1) и 2 (ТИН2) с индивидуальными фазными выходными выводами A1, B1, С1 и А2, В2, С2, двухобмоточные трансфильтры 3 (TF_A), 4 (TF_B), 5 (TF_C), каждый с двумя обмотками, соединенными последовательно, выходной трехфазный фильтр на трех дросселях индуктивности 6, 7, 8 и трех конденсаторах 9, 10, 11. Выходные выводы 12, 13, 14 трехфазного фильтра подключены к первичной трехфазной обмотке 15 трехфазного трансформатора 16, вторичная трехфазная обмотка которого 17 через фазные датчики тока 18 подключена к выходным выводам 19 (А), 20 (В), 21 (С). Между одноименными фазными выводами А1 и А2, В1 и В2, С1 и С2 инверторов 1, 2 включены пары последовательно соединенных обмоток соответствующих трансфильтров 3, 4, 5. Точки соединения обмоток в каждом из трансфильтров образуют промежуточные результирующие выводы двух трехфазных инверторов 1, 2, к которым подключены одни концы обмоток дросселей индуктивностей 6, 7, 8, другие концы которых образуют предварительные (с учетом фильтров) выводы 12 (А₀), 13 (В₀), 14 (С₀) двух трехфазных инверторов 1, 2.

Алгоритмическая характеристика трехфазного инвертора напряжения задается системой управления 22, которая содержит два основных блока управления: блок 23, управляющий трехфазным инвертором напряжения 1, и блок 24, управляющий трехфазным инвертором напряжения 2. Блоки 23, 24 выполнены аналогично и содержат трехфазные модуляторы ширины импульсов 25 (ТМШИ1), 26 (ТМШИ2), работа которых синхронизируется таймером 27. Распределение импульсов управления по ключевым элементам трехфазных инверторов обеспечивается логическими узлами 28, 29. Трехфазные модуляторы ширины импульсов 25, 26 реализуют так называемый «вертикальный принцип» управления, который заключается в сравнении высокочастотного (развертывающего) сигнала треугольной формы (тактовой частоты f_T) с низкочастотным трехфазным сигналом задания синусоидальной формы (выходной частоты трехфазного инвертора f₂), который формируется задатчиком трехфазного сигнала (ЗТС) 30. Принципиальным и существенным признаком системы управления является создание фазового сдвига между развертывающими сигналами модуляторов ширины импульсов на угол π (на частоте f_T), который реализуется таймером 27. Задатчик трехфазного сигнала 30 является общим для двух трехфазных модуляторов ширины импульсов. Более детально принцип построения системы управления 22 описан в [2]. Здесь указаны лишь существенные функциональные признаки системы управления.

При практической реализации система управления содержит также вспомогательный блок управления 31, в котором реализуются два контура отрицательной обратной связи (КООС) - по напряжению 32 (КООС1) и по току 33 (КООС2). Входным сигналом для узла 32 (КООС1) является выходной сигнал датчика трехфазного напряжения 34 (ДТН), а опорным (эталонным) - выходной сигнал задатчика уровня напряжения 35. Входным сигналом для узла 33 (КООС2) является выходной сигнал датчика трехфазного тока 18 (ДТ), а опорным (эталонным) - выходной сигнал задатчика уровня тока 36. Для суммирования выходных сигналов от узлов 32, 33 используется сумматор 37, выход которого подключен к управляющему входу задатчика трехфазного сигнала 30, предназначенного для регулирования его амплитуды.

Электропитание всех узлов системы управления обеспечивается блоком питания внутренних нужд (БПВН) 38.

Система управления 22 обеспечивает управление двумя трехфазными инверторами 1,2 с широтно-импульсной модуляцией по синусоидальному закону. Благодаря трансфильтрам 3, 4, 5 обеспечивается суммирование двух токов соответствующих фаз инверторов 1, 2 и формирование результирующего выходного трехфазного напряжения с улучшенным спектральным составом (фиг.1). После его фильтрации с помощью трехфазного фильтра на элементах 6÷11 к первичной трехфазной обмотке 15 трехфазного трансформатора 16 подается практически синусоидальное напряжения u₂(t), а в активно-индуктивной нагрузке (в конкретном примере cos φ₂₍₁₎=0,75) протекает синусоидальный ток. Таким образом, трехфазный трансформатор 16 работает фактически в идеальных условиях (без дополнительных потерь от высших гармоник напряжения). Этим достигается полезный технический результат в сравнении с прототипом. Что касается потерь в трансфильтрах, то доля их в общих потерях составляет единицы процентов от общих потерь в трехфазном инверторе напряжения, поскольку их габаритная мощность относительно габаритной мощности трехфазного трансформатора не превышает 4%.

Кроме того, полезный технический результат, который достигается в изобретении, обеспечивается также отсутствием импульсных перенапряжений на элементах трехфазного инвертора, вызываемых индуктивностями рассеяния обмоток трансфильтров 3, 4, 5 и обмоток 15, 17 трехфазного трансформатора 16, поскольку благодаря иной топологии инверторного звена (1, 2) в них отсутствует режим прерывистых токов.