Трехфазный инвертор синусоидального напряжения
Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в авиационно-космических системах электроснабжения, в частности - полностью электрифицированных самолетов. Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение двунаправленного преобразования энергии. Дополнительным техническим результатом являются: повышение качества выходной электроэнергии, в частности - улучшение спектрального состава выходных напряжений и качества переходных процессов, а также улучшение массо-энергетических показателей за счет однокаскадности преобразования электроэнергии. Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в трехфазный инвертор синусоидального напряжения, содержащий разнополярные входные и фазные выходные выводы 1, 2 и 3, 4.5 устройства, включая заземленный общий нейтрально- нулевой вывод, для его подключения к источнику питания постоянного тока и к нагрузкам переменного тока, три регулируемых импульсных конвертора 6, 7, 8 с трансформаторными звеньями гальванической развязки, с входными выводами, подключенными к входным выводам устройства, и с выходными выводами, зашунтированными соответствующими фильтровыми конденсаторами 9, 10, 11, а также блок управления 12 с цепями 13, 14 обратных связей по входным и выходным токам и напряжениям и с импульсно-модулирующими выходными выводами 15, подсоединенными к управляющим выводам конверторов, ВВЕДЕН источник 16 постоянного напряжения смещения, ВКЛЮЧЕННЫЙ своими выходными выводами последовательно-встречно между нейтрально-нулевым выводом устройства и соединенными между собой первыми выходными выводами конверторов, ВЫПОЛНЕННЫХ с возможностью двунаправленного преобразования энергии и подключенных своими вторыми выходными выводами к соответствующим фазным выходным выводам устройства, причем величина его постоянного напряжения смещения ПРЕВЫШАЕТ заданную величину амплитуды выходных фазных напряжений устройства, а также БЛАГОДАРЯ тому, что его источник постоянного напряжения смещения ВЫПОЛНЕН в виде дополнительного импульсного конвертора, силовая схема которого аналогична вышеуказанным конверторам, и СНАБЖЕНА дополнительным блоком управления 17 с цепью 18 стабилизирующей обратной связи по его выходному напряжению смещения. В ф-ле 3 п., илл. - 2
Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в авиационно-космических системах электроснабжения, в частности - в полностью электрифицированных самолетов.
Известны трехфазные инверторы синусоидального напряжения (аналоги), содержащие входной емкостной фильтр и трехфазный мостовой коммутатор, зашунтированный обратным выпрямителем (Зиновьев Г.С. Силовая электроника: учеб. пособие для бакалавров / Г.С. Зиновьев. - 5-е изд. испр. и доп. - М: Издательство Юрайт, 2012. - 667012. - 667 с - Серия: Бакалавр. Углубленный курс., стр. 615, рис. 13.6.1 и рис. 13.6.2).
К недостаткам известных устройств (аналогов) относятся низкое качество выходных фазных напряжений, в частности- плохой спектральный состав и сложность пофазно-раздельного регулирования амплитуд напряжений.
По техническому существу наиболее близким к предлагаемому устройству является трехфазный инвертор синусоидального напряжения (прототип), содержащий три однофазных инверторных канала, состоящих каждый из предварительного однонаправленного импульсного конвертора с трансформаторным гальвано-развязывающим звеном и выходным фильтровым конденсатором и однофазного мостового электронного коммутатора с выходным индуктивно-емкостным фильтром (С.В. Аверин, Т.В. Анисимова, А.Н. Данилина, В.С. Коняхин, В.В. Крючков, Ю.Г. Следков. Моделирование процессов в трехфазном транзисторном инверторе при возникновении межфазных коротких замыканий. Практическая силовая электроника, 
43, 2011 г., с. 21-25, стр. 22, рис. 1).
К недостаткам известного трехфазного инвертора синусоидального напряжения (прототипа) относятся: узкие функциональные возможности, а именно неспособность обратного преобразования энергии в направлении от выходных выводов к входным, низкое качество выходных фазных напряжений, в частности - плохой спектральный состав и качество переходных процессов, а также плохие массо-энергетические показатели из-за громоздкости выходных фазных фильтров и двухкаскадного последовательного преобразования энергии.
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение двунаправленного преобразования энергии.
Дополнительным техническим результатом являются: повышение качества выходной электроэнергии, в частности - улучшение спектрального состава выходных напряжений и качества переходных процессов, а также улучшения массо-энергетических показателей за счет однокаскадности преобразования электроэнергии.
Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в трехфазный инвертор синусоидального напряжения, содержащий разнополярные входные и фазные выходные выводы устройства, включая заземленный общий нейтрально-нулевой вывод, для его подключения к источнику питания постоянного тока и к нагрузкам переменного тока, три регулируемых импульсных конвертора с трансформаторными звеньями гальванической развязки, с входными выводами, подключенными к входным выводам устройства, и с выходными выводами, зашунтированными соответствующими фильтровыми конденсаторами а также блок управления с цепями обратных связей по входным и выходным токам и напряжениям и с импульсно-модулирующими выходными выводами, подсоединенными к управляющим выводам конверторов, ВВЕДЕН источник постоянного напряжения смещения, ВКЛЮЧЕННЫЙ своими выходными выводами последовательно-встречно между нейтрально-нулевым выводом устройства и соединенными между собой первыми выходными выводами конверторов, ВЫПОЛНЕННЫХ с возможностью двунаправленного преобразования энергии и подключенных своими вторыми выходными выводами к соответствующим фазным выходным выводам устройства, причем величина его постоянного напряжения смещения ПРЕВЫШАЕТ заданную величину амплитуды выходных фазных напряжений устройства, и БЛАГОДАРЯ тому, что его блок управления ВЫПОЛНЕН с возможностью широтно-импульсного регулирования сигналов на своих выходных выводах с отрицательными обратными связями в зависимости от отклонений сигналов в его цепях обратных связей по выходным фазным напряжениям от соответствующих эталонных трехфазных синусоидальных сигналов, а также БЛАГОДАРЯ тому, что его источник постоянного напряжения смещения ВЫПОЛНЕН в виде дополнительного импульсного конвертора, силовая схема которого аналогична вышеуказанным конверторам, и СНАБЖЕНА дополнительным блоком управления с цепью стабилизирующей обратной связи по его выходному напряжению смещения.
Экспериментальные лабораторные исследования на макете и на компьютерной модели устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность его широкого промышленного внедрения.
На Фиг. 1 представлена структура предлагаемого трехфазного инвертора синусоидального напряжения
На Фиг. 2 приведены фазово-временные диаграммы: выходного напряжения (UdА) регулируемого импульсного конвертора (6),выходного напряжения смещения (Uсм) источника (16) постоянного напряжения смещения и соответствующего фазного выходного напряжения (UфА) устройства на его выходных выводах (3-1).
Предлагаемый трехфазный инвертор синусоидального напряжения содержит: разнополярные входные и фазные выходные выводы 1, 2 и 3, 4.5 устройства, включая заземленный общий нейтрально-нулевой вывод (первый из них) для подключения источника питания постоянного тока и нагрузок переменного тока, три регулируемых импульсных конвертора 6, 7, 8 с трансформаторными звеньями гальванической развязки, с входными выводами, подключенными к входным выводам устройства и с выходными выводами, зашунтированными соответствующими фильтровыми конденсаторами 9, 10, 11, блок управления 12 с цепями 13, 14 обратных связей по входным и выходным токам и напряжениям и импульсно-модулирующими выходными выводами 15, а также источник 16 постоянного напряжения смещения, выполненного в виде дополнительного импульсного конвертора, аналогичного 6, 7, 8 с дополнительным блоком управления 17, имеющим цепь 18 стабилизирующей обратной связи по выходному напряжению указанного источника и выходные выводы 19. Выходные выводы 15 блока управления 12 подсоединены к управляющим выводам конверторов 6, 7, 8, подключенных своими соединенными между собой первыми выходными выводами через встречно включенные выходные выводы источника постоянного напряжения смещения к общему нейтрально-нулевому выводу 1 устройства, а своими вторыми выходными выводами - к соответствующим фазным выводам 3, 4, 5 устройства. Импульсные конверторы 6, 7, 8, а также источник 16 постоянного напряжения смещения выполнены с возможностью двунаправленного преобразования энергии. Величина постоянного напряжения смещения (Uсм) источника 16 превышает заданную величину амплитуды U0 выходных фазных напряжений устройства (U3-1, U4-1, U5-1).Блок управления 12 выполнен с возможностью широтно-импульсного регулирования сигналов на своих выходных выводах 15 с отрицательными обратными связями в зависимости от отклонений сигналов в его цепях 14 обратных связей по выходным напряжениям от соответствующих эталонных трехфазных синусоидальных сигналов.
Трехфазный инвертор синусоидального напряжения работает следующим образом.
К разнополярным входным выводам 1, 2 устройства подключают источник питания постоянного тока, а к фазным выходным выводам 3, 4, 5 и к общему нейтрально-нулевому выводу 1 - нагрузки переменного тока, например - трехфазный асинхронный электродвигатель с заземленной нейтралью.
На выходных выводах 15 и 19 блоков управления 12 и 17 формируются широтно-импульсно модулирующие импульсные сигналы, поступающие на управляющие выводы импульсных конверторов 6, 7, 8 и аналогичного по силовой схеме источника 16 постоянного напряжения смещения.
На фиг. 2 представлены фазово-временные диаграммы однополярного выходного напряжения (UdA) регулируемого импульсного конвертора 6, выходного напряжения смещения (Uсм) источника 16 постоянного напряжения смещения и соответствующего фазного выходного напряжения (UфА) устройства на его выходных выводах 3-1. Напряжение UфА образуется в результате вычитания встречно-направленных напряжений UdA и Uсм благодаря последовательному соединению выходов конвертора 6 и источника 16. Его синусоидальная форма и временная фаза соответствуют заданному эталонному напряжению UфА.эт. и корректируются по цепи 14 обратной связи блока управления 12. При этом благодаря выполнению условия: Uсм>Uo, где Uo - заданная амплитуда фазных выходных напряжений устройства, выходное напряжение UdA конвертора 6 является однополярным т.е. реализуемым с помощью известных схем регулируемых импульсных конверторов с трансформаторным звеном гальванической развязки и с двунаправленным преобразованием энергии (обратимых трансформаторных конверторов, например, составленных из двух встречно-параллельных однонаправленных конверторов, примененных в прототипе, или других (см., например, Резников С.Б., Бочаров В.В., Кириллов В.Ю., Постников В.А. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость транспортного электрооборудования с высоковольтными цепями питания. - М: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010. - 512 с, стр. 66, рис. 1.9.2.6 и стр. 480, рис. П.2.12).
Таким образом, в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом обеспечиваются основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение двунаправленного (прямого и обратного) преобразования энергии, а также дополнительный технический результат: повышение качества выходной электроэнергии, в частности - улучшение спектрального состава выходных напряжений и качества переходных процессов, а также улучшение массо-энергетических показателей за счет однокаскадности преобразования электроэнергии.
1. Трехфазный инвертор синусоидального напряжения, содержащий разнополярные входные и фазные выходные выводы устройства, включая заземленный общий нейтрально-нулевой вывод, для его подключения к источнику питания постоянного тока и к нагрузкам переменного тока, три регулируемых импульсных конвертора с трансформаторными звеньями гальванической развязки, с входными выводами, подключенными к входным выводам устройства, и с выходными выводами, зашунтированными соответствующими фильтровыми конденсаторами, а также блок управления с цепями обратных связей по входным и выходным токам и напряжениям и с импульсно-модулирующими выходными выводами, подсоединенными к управляющим выводам конверторов, отличающийся тем, что в него введен источник постоянного напряжения смещения, включенный своими выходными выводами последовательно-встречно между нейтрально-нулевым выводом устройства и соединенными между собой первыми выходными выводами конверторов, выполненных с возможностью двунаправленного преобразования энергии и подключенных своими вторыми выходными выводами к соответствующим фазным выходным выводам устройства, причем величина его постоянного напряжения смещения превышает заданную величину амплитуды выходных фазных напряжений устройства.
2. Трехфазный инвертор синусоидального напряжения по п. 1, отличающийся тем, что его блок управления выполнен с возможностью широтно-импульсного регулирования сигналов на своих выходных выводах с отрицательными обратными связями в зависимости от отклонений сигналов в его цепях обратных связей по выходным фазным напряжениям от соответствующих эталонных трехфазных синусоидальных сигналов.
3. Трехфазный инвертор синусоидального напряжения по п. 1 и 2, отличающийся тем, что его источник постоянного напряжения смещения выполнен в виде дополнительного импульсного конвертора, силовая схема которого аналогична вышеуказанным конверторам, и снабжена дополнительным блоком управления с цепью стабилизирующей обратной связи по его выходному напряжению смещения.
