Схема многоуровневого повышающего трехфазного преобразователя солнечной энергии в напряжение промышленной частоты

Полезная модель относится к преобразовательной технике, широко применяемой, например, в солнечной энергетике. Технический результат заявляемого решения - улучшение массогабаритных показателей и расширение функциональных возможностей достигается за счет обеспечения работы на трехфазную нагрузку и совместной работы с трехфазной сетью путем выполнения многоуровневого повышающего трехфазного преобразователя содержащего общий источник постоянного напряжения, например, в виде солнечной батареи, однофазный мостовой автономный инвертор, к выходу которого подключен дополнительно введенный трехфазный преобразователь частоты ячейкового типа, состоящий из высокочастотного повышающего однофазного многообмоточного трансформатора, однофазных выпрямительно-инверторных ячеек, соединенных с вторичными обмотками трансформатора, системы управления, датчиков тока, напряжения и задатчика выходного напряжения промышленной частоты. Количество уровней в синусоиде выходного напряжения определяется количеством однофазных выпрямительно-инверторных ячеек в преобразователе частоты. 1 н.п. формулы. Ил.2.

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована для преобразования энергии солнечной батареи в переменное напряжение промышленной частоты в солнечной энергетике.

Известен автономный инвертор (АИ) компании «КОМПЭЛ», используемый для преобразования энергии солнечной батареи (СБ), в однофазное переменное напряжение промышленной частоты (ж. «Силовая Электроника», 2, 2011, стр.63). Автономный инвертор является преобразователем, содержащим входной каскад с конденсаторами, индуктивностью, транзисторным ключом, диодом и выходной каскад с мостовым однофазным инвертором и выходным фильтром, к которому подключается однофазная нагрузка. Указанные элементы образуют блок однофазного «солнечного инвертора» Недостатками устройства являются большие габариты фильтров для получения выходного синусообразного напряжения промышленной частоты с малыми искажениями, автономный инвертор имеет большие искажения выходного напряжения и не является повышающим многоуровневым

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и взятым за прототип является многоуровневый трехфазный преобразователь частоты ячейкового типа, применяемый в частотно-регулируемом (ЧРП) типа ABS - DRIVE для регулирования скорости электродвигателя [см. статью авторов: Кальсин В.Н., Матисон А.Г., Шепелин В.Ф. и др. «Работы ОАО «ВНИИР» компании АБС «Электро» в области высоковольтного электропривода и силовой электроники», журнал «Электротехника», 2011, 1].

В прототипе ЧРП получает питание от сети 50 Гц через многообмоточный трехфазный трансформатор. Преобразователь частоты выполнен на базе выпрямительно-инверторных ячеек, имеющих трехфазный выпрямитель на входе ячейки. Формирование многоуровневого выходного напряжения в каждой фазе осуществляется за счет суммирования напряжений отдельных ступеней с использованием системы управления, датчиков тока, напряжения и задающего устройства.

Недостатки прототипа - большие массогабаритные и стоимостные показатели за счет применения трансформатора на частоту 50 Гц и ограниченные функциональные возможности из-за отсутствия возможности питания от общего источника постоянного напряжения или сети постоянного тока.

Технический результат заявляемого решения - улучшение массогабаритных показателей и расширение функциональных возможностей, достигается за счет обеспечения работы на трехфазную нагрузку и совместной работы с трехфазной сетью.

Технический результат достигается тем, что в многоуровневом повышающим трехфазном преобразователе, содержащем общий источник постоянного напряжения, например, в виде солнечной батареи, соединенный с однофазным мостовым автономным инвертором, и трехфазный преобразователь частоты ячейкового типа, состоящий из многообмоточного трансформатора, выпрямительно-инверторных ячеек, системы управления, датчиков тока, напряжения и задатчика регулируемой величины однофазный мостовой автономный инвертор выполнен высокочастотным, к его выходу подключен трехфазный преобразователь частоты, ячейкового типа, трансформатор которого выполнен высокочастотным однофазным многообмоточным и его вторичные обмотки соответственно соединены с входами однофазных выпрямительно-инверторных ячеек, состоящих из последовательно соединенных однофазных выпрямителя и инвертора.

Отличительной особенностью предполагаемой полезной модели является то, что:

улучшение массогабаритных показателей и расширение функциональных возможностей осуществляется за счет выполнения на высокую частоту, например, 1000 Гц, однофазных автономного инвертора и трансформатора, а также введения преобразователя частоты ячейкового типа, преобразующего напряжение высокой частоты в трехфазное напряжение промышленной частоты, выполненного на базе однофазных выпрямительно-инверторных ячеек и обеспечения совместной работы с соответствующей трехфазной промышленной сетью.

Заявляемое решение поясняется фиг.1, 2, где на фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг 2 выпрямительно-инверторная ячейка, где приняты обозначения:

1 - источник постоянного напряжения в виде, например, СБ.

2 - автономный мостовой однофазный инвертор, с частотой, например, fl=1000 Гц

3 - высокочастотный трансформатор с частотой fl

4 - вторичные обмотки 3

5 - блок выпрямительно-инверторных ячеек

6 - однофазная выпрямительно-инверторная ячейка

7 - система управления

8 - датчик напряжения

9 - датчик тока

10 - задатчик напряжения промышленной частоты (или пульт управления)

11 - трехфазный преобразователь частоты ячейкового типа, преобразующий высокую частоту, например, f1=1000 Гц, в промышленную частоту50 Гц

U, Ui, Uy - выходные сигналы элементов 8-10

Ul - выходное напряжение заявляемого устройства

АВС - выходные зажимы устройства.

12 - мостовой однофазный выпрямитель

13-конденсатор

14 - мостовой однофазный транзисторный инвертор

Uo - выходное напряжение элемента 14.

Предлагаемый многоуровневый повышающий трехфазный преобразователь содержит общий источник постоянного напряжения, например, в виде солнечной батареи 1, соединенной с автономным мостовым однофазным инвертором 2; многообмоточный трансформатор 3 с вторичными обмотками 4; однофазные выпрямительно-инверторные ячейки 6, соединенные в трехфазный блок ячеек 5; систему управления 7, датчики напряжения 8 и тока 9, задатчик напряжения 10 промышленной частоты, при этом автономный инвертор 2 и трансформатор 3 выполнены высокочастотными, вторичные обмотки 4 соответственно подключены к блоку 5 выпрямительно-инверторных ячеек 6, выходы которых соединены между собой последовательно в три группы и образуют трехфазный преобразователь частоты ячейкового типа 11 с выходными фазными зажимами АВС, к которым подключается нагрузка и может подключаться соответствующая сеть промышленной частоты для совместной работы. Ячейки 6 представляют собой последовательное соединение мостового однофазного выпрямителя 12 и инвертора 14.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Источником энергии в устройстве (фиг.1) является источник постоянного напряжения, например, в виде солнечной батареи (СБ) 1, образованной из отдельных солнечных элементов СЭ. Автономный инвертор 2 преобразует постоянное напряжение СБ. в переменное высокочастотное напряжение, например, 1000 Гц.

На выход инвертора 2 подключается однофазный высокочастотный трансформатор 3, который обеспечивает питание каждой ячейке 6 (фиг.1, 2) от индивидуальных вторичных обмоток 4.

Выходы ячеек 6 соединяются последовательно в три группы и звезду, образуя вместе с системой управления 7, датчиками 8, 9 и задатчиком 10 трехфазный преобразователь частоты ячейкового типа 11 с выходными зажимами АВС, на которых получаем напряжение промышленной частоты, например, 50 Гц. Система управления 7 обеспечивает ШИМ-регулирование мостовому однофазному транзисторному инвертору 14 (фиг.2) в каждой ячейке 6, на выходах ячеек образуются различные комбинации трех сигналов (+Uo,-Uo и 0). Эти сигналы суммируются и создают многоуровневую систему выходного трехфазного напряжения промышленной частоты. Количество уровней выходного напряжения определяется количеством ячеек: например, при 15 ячейках в блоке выпрямительно-инверторных ячеек 5 выходное синусообразное линейное напряжение имеет 11 ступеней (уровней) - общую нулевую ступень и по 10 ступеней в каждой положительной и отрицательной полуволне синусоиды. Напряжение амплитуды многоуровневой синусоиды составляет величину 10 Uo. К зажимам АВС подключается нагрузка и при необходимости совместной работы - соответствующая сеть, например, 380 В, 50 Гц. В ряде случаев требуется подключение данного устройства высокой мощности к энергосистеме с высоким напряжением, например, 380 В, 50 Гц. Для этого целесообразно использовать дополнительный трехфазный согласующий трансформатор.

Многоуровневый повышающий трехфазный преобразователь, содержащий общий источник постоянного напряжения, например, в виде солнечной батареи, соединенный с однофазным мостовым автономным инвертором, и трехфазный преобразователь частоты ячейкового типа, состоящий из многообмоточного трансформатора, выпрямительно-инверторных ячеек, системы управления, датчиков тока, напряжения и задатчика регулируемой величины, отличающийся тем, что однофазный мостовой автономный инвертор выполнен высокочастотным, к его выходу подключен трехфазный преобразователь частоты ячейкового типа, трансформатор которого выполнен высокочастотным однофазным многообмоточным и его вторичные обмотки соответственно соединены с входами однофазных выпрямительно-инверторных ячеек, состоящих из последовательно соединенных однофазных выпрямителя и инвертора.