Трифазний багатоканальний інвертор напруги
Власники патенту UA 2559804:
Винахід відноситься до галузі електротехніки, званої «силова електроніка», і може бути використане в електроустановках при створенні статичних перетворювачів частоти великої потужності з використанням керованих напівпровідникових приладів (транзистори або тиристори, що замикаються), шунтованих «зворотними» діодами. Для отримання необхідних значень струму в кожній фазі інвертора є N паралельних каналів, керованих так, що вихідна напруга сусідніх каналів зміщена на 1/N періоду несучої частоти. З'єднання паралельних каналів кожної фази здійснюється за допомогою N двообмотувальних зрівняльних реакторів, що забезпечують технічний результат - покращення форми кривої вихідної напруги інвертора. 1 іл.
Винахід відноситься до галузі електротехніки, яка називається «силова електроніка», і може бути використана в електроустановках при створенні статичних перетворювачів частоти великої потужності.
В даний час у різних електроустановках, у регульованих електроприводах, у вторинних джерелах живлення, в електроустановках зв'язку з лініями передач постійного струму та інших електроустановках застосовуються інвертори напруги, що перетворюють постійний струм на змінний. У цих інверторах використовуються повністю керовані напівпровідникові прилади (УПП) (транзистори або тиристори, що замикаються), шунтовані «зворотними» діодами. Зазначені СПП з'єднуються у схему трифазного мосту. Відповідне управління забезпечує роботу УПП у ключовому режимі, а регулювання вихідної напруги таких інверторів, як правило, здійснюється методом широтно-імпульсної модуляції (ШІМ), при якому в інтервалі одного періоду основної частоти УПП багаторазово включаються і вимикаються так, щобзабезпечувалися необхідні параметри основної хвилі (1-ї гармоніки) вихідної напруги. При цьому втрати енергії в УПП мінімальні, але великі спотворення вихідної напруги високочастотними складовими (що становлять «несучі» частоти). В одноканальних однотактних інверторах, у яких у фазі інвертора немає паралельних гілок, для зниження рівнів гармонік несучої частоти на навантаженні використовуються фільтри, що згладжують, застосування яких може зумовити погіршення техніко-економічних показників.
Для створення інверторів випускається широка гама УПП. Допустимі струми цих приладів до кількох кА, проте для установок великої потужності цього недостатньо. При паралельному з'єднанні УПП або паралельному з'єднанні трифазних мостових інверторів застосовуються різні способи вирівнювання струмів УПП, включених паралельно, але вони не впливають на форму кривої вихідної напруги інвертора.
Прототипом запропонованого рішення є відома схема трифазного інвертора, у кожній фазі якого є по 3 паралельні канали, названі тактами (Іванов А.В. та ін. Особливості роботи інвертора з багатотактною широтно-імпульсною модуляцією. «Електрика», 1979 р., №8 , Стор.42-47, «Енергія»). УПП цих паралельних каналів кожної фази перемикаються зі зсувом в 1/3 періоду частоти, що несе. Для з'єднання паралельних каналів вихід фази інвертора використовуються тристержневі зрівняльні реактори з однією обмоткою на кожному стрижні. Недоліком такого рішення є те, що для реалізації інвертора з N каналами (N паралельними гілками) необхідні зрівняльні реактори зі складними магнітопроводами (N-стрижневі магнітопроводи). Крім того, обмотка кожного стрижня реактора створює значний магнітний потік, що проходить поза магнітопроводом (потік розсіювання), аце може бути неприпустимим при розміщенні реактора в обмеженому просторі.
Пропонована схема трифазного багатоканального інвертора напруги, регульованого методом ШІМ, забезпечує покращену форму кривої напруги на навантаженні і реалізується за допомогою двообмотувальних зрівняльних реакторів, потоки розсіювання яких можуть бути мінімальними. Магнітопроводи реакторів прості за конструкцією. На кресленні представлена функціональна схема пропонованого трифазного N-канального інвертора напруги. До складу цього інвертора входять фази 1, 2 та 3 з УПП. У кожній фазі міститься N паралельних гілок (тактів). Керуючі входи УПП фаз 1, 2 і 3 пов'язані з виходом блоку управління 4. Входи всіх каналів фаз підключені до одного джерела постійного струму 5 паралельно. Крім того, до складу інвертора входять три групи двообмотувальних зрівняльних реакторів 6, 7 і 8, у кожній з якої є N двообмотувальних зрівняльних реакторів. Виходи каналів фази 1 з'єднані з початками первинних обмоток (обмоток W1) групи реакторів 6 так, що вихід А1 з'єднаний з початком обмотки W1 першого реактора групи (реактора 1-6), вихід А2 з'єднаний з початком обмотки W1 другого реактора групи 6 (реактора 2 -6) і т.д., а вихід AN фази 1 з'єднаний з початком обмотки W1 реактора N-6. Аналогічно з'єднані виходи каналів фази 2 (виходи B1, B2, … BN) з початками обмоток W1 реакторів групи 7 та виходи каналів фази 3 (виходи C1, C2, … CN) з початками обмоток W1 реакторів групи 8. У кожній групі реакторів кінці обмоток W1 з'єднані з кінцями обмоток W2 реакторів за кільцевою схемою так, що кінець обмотки W1 реактора 1-6 з'єднаний з кінцем обмотки W2 реактора 2-6 і т.д. і кінець обмотки реактора W1 N-6 з'єднаний з кінцем обмотки реактора W2 1-6. Початки обмоток W2 всіх реакторів групи 6 з'єднані разом іутворюють вихід фази інвертора. Аналогічно з'єднані початку обмоток W2 реакторів груп 7, і ця точка з'єднання є виходом фази інвертора. Входом фази інвертора є точка з'єднання всіх почав обмоток W2 реакторів групи 8.
Пропонований багатоканальний інвертор напруги працює як N-тактний інвертор із ШІМ. Такий алгоритм забезпечується тим, що блок управління 4 подає на УПП фаз 1, 2 і 3 імпульси управління так, що на виходах каналів фаз створюються знакозмінні імпульси напруги з частотою, що несе. Фазові зрушення між вихідними напругами каналів в одній фазі дорівнюють 1/N періоду несучої частоти. Середнє значення напруги на виході кожного каналу фази за період несучої частоти визначається необхідною величиною основної хвилі вихідної напруги фази інвертора. Зазначені імпульси напруги з виходів каналів однієї фази надходять на первинні обмотки зрівняльних реакторів однієї групи. За рахунок кільцеподібної сполуки первинних та вторинних обмоток реактори групи перемагнічуються з несучою частотою. В результаті цього N раз знижується амплітуда пульсацій напруги фази з несучою частотою, що обумовлює поліпшення гармонійного складу напруги на виході фази інвертора. У пропонованій схемі багатоканального інвертора напруги зрівняльні реактори із простою конструкцією магнітопроводу. Намагнічуючі сили від струмів навантаження, що протікають по котушках кожного реактора, спрямовані зустрічно, тому підмагнічування магнітопроводу цими струмами може бути мінімальним. Основне перемагнічування магнітопроводу кожного реактора відбувається з частотою, що несе. Найбільша напруга несучої частоти на котушці реактора, що дорівнює 1/4 від напруги на вході інвертора, виникає в ті інтервали, коли основна хвиля напруги на виході фазиінвертора близька до нуля При хорошому магнітному зв'язку котушок реактора потоки розсіювання, створювані струмами навантаження інвертора, можуть бути незначними, тому реактори можна встановлювати досить близько до струмопровідних елементів конструкції.
Трифазний багатоканальний інвертор напруги, регульований методом ШІМ і містить у кожній фазі по N паралельних каналів, утворених напівпровідниковими приладами (транзисторами або тиристорами, що замикаються), керованими так, що паралельні канали фази перемикаються зі зсувом в 1/N періоду зрівняльних реакторів N реакторів у кожній групі, який відрізняється тим, що виходи N каналів кожної фази з'єднані з початками первинних котушок зрівняльних реакторів однієї групи, кінці цих первинних обмоток реакторів однієї групи з'єднані з кінцями вторинних обмоток реакторів цієї групи за кільцевою схемою так, що кінець вторинної обмотки першого реактора з'єднаний з кінцем вторинної обмотки другого реактора і т.д., а кінець первинної обмотки реактора N з'єднаний з кінцем вторинної обмотки першого реактора цієї групи, початку всіх вторинних обмоток реакторів однієї групи з'єднані разом і утворюють вихід однієї фази інвертора.