Преобразователь

 

Использование: при построении трехфазных преобразователей повышенной мощности с уменьшенными искажениями выходного напряжения. Сущность изобретения поясняется на примере трехфазного инвертора, выполненного в виде двух трехфазных мостов, нагруженных на первичные обмотки трехфазных трансформаторов. Вторичные обмотки каждого трансформатора выполнены в виде двух комплектов, причем эти комплекты в одном трансформаторе соединены по схеме прямой зигзаг, а в другом трансформаторе - по схеме обратный зигзаг. Соединенные таким образом вторичные обмотки трансформаторов соединены пофазно последовательно по схеме звезда. 1 з.п. ф-лы, 8 ил. 1 табл.

союэ сОВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)s Н 02 М 7/48

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОсплтент сссР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЪСТВУ (21) 4679732/07 (22) 17,03.89 (46) 07.02.93, Бюл. N 5 (75) В,С.Высочанский и Ю.Н.Чаплыгин (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 396797, кл. Н 02 M7/52, 1970, Авторское свидетельство СССР № 1272431, кл, Н 02 М 7/515. 20.09,83.

Авторское свидетельство СССР

N1432704,,кл. Н 02 М7/68,,09,01.85.

Чиженко И.М и др. Основы преобразовательной техники, — M.: Высшая школа, 1980, с. 262, 263, 407 — 413. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Использование: при построении трехфазных преобразователей повышенной

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике, к обратимым преобразовательным устройствам со звеном постоянного тока, выполненным на основе двух или нескольких трехфаэных инверторов напряжения. Преобразователь служит дпя преобразования постоянного тока в переменный или наоборот и может работать, например, в качестве устройства дпя гаран-, тированного питания потребителей переменного тока, требующих напряжения со стабильной или с регулируемойчастотой, Благодаря присущему каждому инвертору напряжения свойству обратимости преобразователь может быть использован и для рекуперации энергии иэ сети переменного тока в сеть постоянного тока, например для заряда аккумуляторной батареи. Он может быть использован и в качестве инвертора

„„« Ц „„1793522 Al мощности с уменьшен ными искажениями выходного напряжения, Сущность изобретения поясняется на примере трехфазного инвертора, выполненного в виде двух трехфазных мостов, нагруженных на первичные обмотки трехфазных трансформаторов.

Вторичные обмотки каждого трансформатора выполнены в виде двух комплектов, причем эти комплекты в одном трансформаторе соединены по схеме "прямой зигзаг", a e другом трансформаторе — по схеме "обратный зигзаг". Соединенные таким образом вторичные обмотки трансформаторов соединены пофазно последовательно по схеме

"звезда". 1 з.п. ф-лы, 8 ил. 1 табл. ведомого сетью. Тогда и при применении тиристоров узлы искусственной коммутации вентилей в инверторах не требуются.

Известен преобразователь, содержащий два трехфазных инвертора, каждый из которых своим трансформатором подключен к общим для всего преобразователя выводам переменного тока. Первичные напряжения этих трансформаторов с помощью системы управления сдвинуты на угол zt/6. Вторичные обмотки трансформаторов инверторов соединены у одного по схеме "звезда", а у другого — "треугольник".

Поэтому основные гармоники кривых вторичного напряжения инверторов оказываются синфазными. В этом преобразователе, являющемся аналогом данного предложения, подавлен ряд пар нечетных гармоник— гармоник с порядковыми номерами 6К» 1, 1793522 г еК=1 3 5„,С т д =,, „, Coo ветственно подавлены ных по фазе выходных напряжений инвер17, 19; 29, 31;... гармоники с порядковыми номерами 5, 7; торов с взаимным фазовым с вым сдвигом на угол

2д, усовершенствовано, Для этого трансНедостатком данного преобразователя форматорный выход второго инвертора выявляется невозможность подавления дру- 5 полнен также с дву с двумя вторичными гих гармоник, что важно, например, при ис- обмотками, идентичными обмоткам первои между со ой по схеме пользовании инверторов с трехпроводным ro. но соединенными межд соб входом, где названные гармоники и беэ того "обратный зигзаг". При этом соотношение

MRëö, а нуждаются в подавлении 11, 13 rap- чисел витков вторичных обмоток трансфорво и подо но определямоники. Недостатком является и необходи- 1О маторов одинаково и подобно (2) масть применения трансформаторов с ется номерами подавляемых гармоник, Оно различными конструкциями обмоток, находится из выражения, связывающего

Известен также преобразователь, со- упомянутое соотношение — коэффициент держащий четыре инвертора. В нем наряду трансформации К2 с величиной названного с соединением первичных обмоток транс- 15 выше фазового сдвига 2 д. При этом форматоров по схемам "треугольник", Л

"звезда", применены схемы соединения =mq (1) вторичных обмоток "прямой зигзаг" и ноб- где N выбирается из ряда чисел 1, 2, 3... и ратный зигзаг".. .. влияет на величину подавляемых гармоник, Недостатком этого преобразователя, 20 которые определяются рядом 6KN+ 1, рассматриваемого в качестве второго ана- При N=1 это гармонические с порядковыми лога, является его большая сложность и ис- номерами 5, 7, 17, 19, 29, 31... При N =2 это: пользование трансформаторов с 11, 13, 35, 37, 59, 61... Если число витков существенно разными обмоточными данны- большей вторичной обмотки Wig принять за ми, Аг, а число витков обмотки с меньшим чисИзвестен также преобразбватель со лом витков W<4 обозначить а2, то звеном постоянногО тока, который подобно К а2 2 19 д первому аналогу содержит два трехфаеных т дт 3 — тр о инвертора и Два трансформатора с различ- при Д = 15, К2 = 0,366, ными группами соединения обмоток. На- 30 фазо азовый сдвиг импульсов управления пряжение одноименных фаз инверторов на угол 2д обеспечиваетсинфазностьсоотпосредством системы управления сдвинуто на угол л/6. У одного трансформатора схе- форматоров. Поэтом предложенное — да, а у Ару- техническое решение не накладывает ограна вы ор схемы соединения пергого — "звездам — нэигзаг". Спектральный 35 ничений на выбор схем состав напряжения этого преобразователя вичных об ф вичных о моток трансформаторов, а также н взаимное расположение вторичных обтакой же, каки у аналога, однакотрансфор- на взаимное распол ж маторы здесь разнятся числом обмоток, моток другого: оно может быть параллельное (как у аналога) и последовательное (как мощностью и коэффициентом трансформа- ное (как у ан ) ( ции, а фиг. приведена силовая схема

Недостаткомданного преобразователя, На фиг.1 и и принятого в качестве прототипа, является предлагаемого преобразователя; на фиг.2— невозможность подавления высших гармо- векто ные иаг ам р ме,;,;..., и необходимость трансформаторов и схемы соединения их применения трансформаторов, различаю- 45 обмот; ф .3— о моток; на фиг. — кривые суммарного нащихся не только обмоточными данными, но пряжения вто ичнь пряжения вторичных обмоток каждого иэ трансформаторов и их суммарное напряжение выбо а взаи

Целью изобретения является расшире- ние (за первичную б а первичную о мотку условно прининиевы оравзаимноподавляемыхгармоник маем обмотку подключ н (устранение ограничений свободы этого вы- 5О схеме инвертора); на фиг.4 — ф бо а) и максима инвертора); на фиг.4 — модификация форматоров, р ) льная унификация транс- преобразователя по схем ф х ме фиг. и кривая его напряжения. Для подавления большего числа гармоник с сохранением прежнего оставленная цель достигается тем, что известный преобразователь, содержащий числа трансформаторов в схеме удвоено два трехфазных мостовых инвертора с 55. число инверторов н ф .5— трансформаторными выходами, в которых пользования преобразователя фиг.1 совмевторичные обмотки одного .из трансформа- стно с извест м ф с известным трехфазным инвертором с тейшим трансформаторным выходом; торов соединены по схеме "прямой зигзаг", простейшим трансф м а также содержащий блок управления, на фиг.б — кривы обеспечивающий формирование одноимениг. — кривые напряжения отдельных

1793522 инверторов преобразователя по схеме фиг.5; на фиг.7 — кривые напряжения этого преобразователя при нескольких значениях угла регулирования напряжения А, обозначенного на потенциальной диаграмме одной фазы инвертора; на фиг.8а и 86— соответственно векторы основных гармоник напряжения вторичных обмоток трансформаторов преобразователей из четырех и иэ пяти инверторов при синфазном управлении одноименными вентилями всех инверторов.

Преобразователь иэ четырех инверторов является модификацией предложенного преобразователя по фиг.1, содержит два преобразователя фиг.1. Преобразователь иэ пяти инверторов является примером использования этой модификации совместно с известным трехфазным инвертором. В обоих случаях инверторы в звене постоянного тока соединены параллельно. Вторичные обмотки трансформаторов этих преобразователей могут быть соединены как параллельно; так и последовательно, На фиг.1-8 обозначены: 1 — отдельные трехфазные инверторы вместе с их блоками управления; 2, 3 — трансформаторы; 4 — шины постоянного тока; 5 — конденсатор для ограничения влияния индуктивности звена постоянного тока (его применение необязательно); 6 —; 7— преобразователь в целом; 8 — синхронный генератор (воэможный второй источник питания звена переменного тока): 9-11 — различные потребители энергии переменного тока соответственно с линейной характеристикой, с нелинейной характеристикой и с противоЭДС; 12 — -первичные обмотки трансформаторов 2 и 3; 13 и 14 — вторичные обмотки этих же трансформаторов; 15, 16— векторные диаграммы основных гармоник напряжения вторичных обмоток трансформаторов 2 и 3 при синфазном управлении питающих их инверторов 1; 17 — вектор основных гармоник фаэ А этих трансформаторов (соответственно А и Агз) после взаимного встречного сдвига фаз напряжений питающих их инверторов на угол д; 18, 19 (20, 21) — векторы основных гармоник напряжений обмоток 14 и 13 трансформаторов 2 и 3, формирующих суммарные напряжения 22 (23); 18, 19, (20, 21 )— мгновенные значения напряжений обмоток

14 и 13 трансформаторов 2 и 3 при синфазном управлении одноименными вентилями инверторов преобразователя; 22, 23;— мгновенные значения названных выше суммарных кривых напряжения после взаимного встречного сдвига отпирающих импульсов упомянутых вентилей на угол д;

24 — напряжение фазы А преобразователя (сумма на п ряжен ий 22, 23 ) при последовательном соединении обмоток трансфор5 маторов согласно фиг.1; 25 — напряжение преобразователя по схеме фиг.4; 26— трансформатор третьего инвертора преобразователя по схеме фиг.5; 27, 28 — первичная и вторичная обмотки трансформатора

10 26: 29 — вектор основной гармоники фазы А трансформатора 26; 29 — мгновенное значение напряжения фазы А трансформатора

26; 30 — напряжение преобразователя по схеме фиг.5 (сумма напряжений 22, 23, 29 ); 30, 15 31, 32 — напряжение названного преобразователя при угле регулирования il., соответственно равном О, 20, 30 эл. град; 34— потенциальная диаграмма одного из выводов звена переменного тока одного из ин20 верторов фиг.5, построенная относительно потенциала условной средней точки звена постоянного тока преобразователя; 35, 36— векторы основных гармоник напряжения второй пары инверторов преобразователя, 25 выполненной также по схеме фиг.1 при синфазном управлении одноименными вентилями всех четырех (пяти) инверторов.

Инверторы 1 могут быть как с двухпроводным входом (фиг.1, 4, 5) так и с трехпровод30 ным входом (4).

Рассмотрим работу преобразователя по схеме фиг,1, Как известно фундаментальным свойством инвертора напряжения является независимость величины и формы

35 его напряжения от величины и характера нагрузки (падением напряжения на вентилях инвертора и импедансах звена постоянного тока и трансформаторов пренебрегаем), Поэтому векторные диаг40 раммы фиг .2 и форма кривых напряжения каждого инвертора не зависят от числа инверторов преобразователя, Она остается неизменной при любом режиме работы преобразователя. В преобразователе ис45 пользуются инверторы со 180 -ным режимом работы встречно-параллельно включенных управляемых вентилей и диодов. Их работа общеизвестна и не нуждается в пояснении. Для формирования

50 фазового сдвига на упомянутый угол 2д могут быть применены общеизвестные средства фазового управления.

Векторы 22 и 23 представляют сумму

55 основных гармоник вторичных обмоток трансформаторов с учетом взаимного соединения "начал" и "концов" этих обмоток.

Если принять, что и — угловая частота, t— время, в t = О, то согласно фиг,2

1793522

A22sln(0+ д) = A2sln О+ a2sln (д+ 60О); A) + 2 А2 а2 cos 60 + а2 аа а(п 60 аа 2/

Щ А2+а2 сов 600 А2+0,5а2 Р)

При синфазном управлении одноименными вентилями инверторов основные гармоники суммарных кривых напряжения трансформаторов 2 и 3, как это показано на фиг.2, сдвинуты относительно оси ординат (оси отсчета углов), на угол Ы. При этом и-е гармоники кривых напряжения обмоток 13 трансформаторов имеют нулевой сдвиг фаз . относительно оси ординат, а у обмоток 14 он существенно другой и составляет величину

+60n у трансформатора 2 и -60п у трансформатора 3. В результате и-е гармоники суммарных кривых напряжений обмоток 13 и 14 названных трансформаторов сдвинуты относительно оси ординат на угол д, где т9 л э2 sin 60n . 4

A2 + 82 cos 60 и

Используя это выражение легко установить, что у трансформатора 2 д5 = 11 = 17 =д23 =д29 =... = = 1 (при этом д1 =д) д7 = д!3 = д19 = д25 = дз1 =. ° ° = + д1, а у трансформатора 3, наоборот, первый ряд имеет сдвиг + д1, а второй - д1.

Поэтому при сдвиге отпирающих импульсов инвертора, питающего трансформатор 2 на угол д по часовой стрелке до совмещения вектора 22 с осью ординат, высшие гармоники окажутся повернутыми на суммарные углы д„Z: д5Х = — 5д1+д5 = — 6д1: дтХ = — 7д1+дт = — бд1; д11,„= — 11 д1 + д11 — — — 12 д1 ; д1зХ = — 13 д1 +д1з = — 12 д1; д17Х = — 17 д1+ д17 = — 18 д1, д19Х = — 19 д1 + д19 = — 18 д1; д2зХ = — 23 д1+д2з = — 24д1, д25Х = — 25 д1 + А5 = — 24 д1, A9Z = — 29д1 +д29 = — 30д1; дз1Х = — 31 д1 + дз1 — — — 30 д1, Аналогичная картина имеет место при сдвиге отпирающих импульсов второго инвертора, питающего трансформатор 3 на угол д против часовой стрелки до совмещения вектора 23 с осью ординат, В результате встречного поворота векторов 22 и 23 на

10 угол д оба они занимают положение вектора 17. При д, равном 15 эл. град„гармоники с порядковыми номерами 6К"-1 оказываются противофазными, а гармоники с порядковыми номерами 12К61 оказываются синфазными. Естественно, что процентное содержание нескомпенсированных высших гармонических в суммарной кривой напряжения остается каноническим.

Работа преобразователя по фиг.2 с двумя инверторами хорошо согласуется с работой третьего инвертора, трансформатор которого объединен с трансформаторами первых двух так, как показано на фиг.5, 15 Трансформатор 26 имеет одинаковые схемы соединения первичных и вторичных обмоток, причем такие же как и у первичных обмоток трансформаторов 2 и 3. Взаимокомпенсация высших гармонических в сис20 теме, где действуют три напряжения с одинаковым спектральным составом, обеспечивается путем взаимного сдвига высших гармонических на угол +.120 эл, град. относительно гармонических напряжений треть25 его (центрального) инвертора. Поэтому блок управления этого инвертора обеспечивает установку фазы импульсов управления его вентилями посередине между импульсами управления одноименными вентилями двух

30 других инверторов, которые сдвинуты относительно друг друга на угол в 1,5 раза меньший.чем это было в предыдущем случае

JZ — 2 д = 9 „ . При одинаковых первичных

35 обмотках всех трех трансформаторов число витков одной фазы вторичной обмотки двухобмоточного трансформатора 26 составляет

88,5% суммы витков вторичных обмоток одной фазы трехобмоточных трансформато40 ров 2 и 3, При этом условии основные гармоники вторичных напряжений всех трансформаторов одинаковы. Фазовый сдвиг импульсов управления инверторов обеспечивает синфэзность вторичных на45 пряжений трансформаторов. Поэтому возможно как последовательное так и параллельное соединение вторичных обмоток трансформаторов. Спектральный состав кривой напряжения звена переменного то50 ка преобразователя в обоих случаях одинаков. Неподавлены лишь гармоники с порядковыми номерами 18q+1, где q = 1, 2, 3,4..; т.е. гармоники 17, 19, 35, 37, 53, 55...

55 В преобразователе по схеме фиг.5 векторы 22 и 23 повернуты относительно оси ординат на угол 2 д, а не д, как это было в предыдущем случае, поэтому при определе1793522

10 нии величины К2 в выражение (2) следует подставлять в качестве аргумента угол 2 д.

Регулирование напрлженил рассмотренных преобразователей производится любым известным методом, в частности, широтным.

Пример такого регулирования при минимальном числе коммутаций за полуволну напряжения потенциальной диаграммы одной фазы инвертора преобразователя по фиг,5 приведен на фиг,7, кривая 34. Кривые напрлжения о звене переменного тока преобразователя приведены при нескольких значениях угла регулирования Л. Естественно, что при любом значении величины Л ближайшими неподавленными гармониками остаютсл 17, 19, 35, 37. С изменением Л, наряду с изменением основной гармоники напрлжения, меняется относительное содержание лишь неподаоленных высших гармонических.

Глубина регулирования напряжения v, равная отношению UiИмакс может быть найдена из выражения

w = 2sin(30 — А/2), (5)

Как следует из кривых 31, 32, при величине угла Л. кратной величине д, кривая напряжения не содержит дополнительных ступеней. Их число остается таким же, как и при д=О.

Взаимное подавление высших гармонических преобразователя разведением векторов основных гармоник напряжения вторичных обмоток трансформаторов его инвертороо путем применения схем соединения этих обмоток "прямой зигзаг" — "обратный зигзаг" с последующим сведением названных векторов за счет сдвига импульсов управления вентилями инверторов может быть распространен и на преобразователи с большим числом инверторов, соответственно с подавлением большего числа гармоник, Поскольку применение преобразователя всего из пяти инверторов уже достаточно для формирования синусоидальной кривой напряжения, при которой коэффициент гармоник менее пяти процентов, ограничимся рассмотрением преобразователей из четырех и из пяти иноерторов, Преобразователь из четырех инверторов образуетсл путем объединения двух преобразователей по схеме фиг.1, различающихся между собой только величиной угла д. Их инверторы Ilo входу соединяются параллельно. Вторичные обмотки двух пар трансформаторов могут быть соединены как последовательно, так и параллельно. Спектральный состав их суммарного напряжения отэтого не зависит, Преобразователь из пяти инверторов образуется путем добавления к преобразователю из четырех инверторов еще одного инвертора с двухобмоточным трансформатором подобно тому, как это было показано в преобразователе из трех инверторов. Если в преобразователе иэ двух инверторов угол их взаимного сдвига при M=1 составляет ЗО эл. град, (180/6-60/2), в преобразователе из трех инверторов — 20 эл. град. (60/3), то в преобразовате10 ле из четырех инверторов он 15 эл, град. (60/4), а о преобразователе из пяти инверторов — 12 эл. град. (60/5). С помощью фиг.8 легко установить, что у двух последних иэ названных преобразователей соотношение

15 витков пары трансформаторов, формирующих вектора напряжения 35 и 36 находится соответственно из выражений

2с93д 2tg46 = ъз - д з 3 = ща д

20 Спектральный состав кривых напряжения рассмотренных преобразователей приведен в таблице, Применение предлагаемого преобразователя позволяет расширить возможность

25 выбора подавляемых гармоник, обеспечить подавление подряд большего числа гармоник и максимально унифицировать трансформаторы, Если в инверторах применены тиристоры, то при нечетном числе инверто30 ров в преобразователе могут быть упрощены сами инверторы за счет использования группового узла коммутации общего для . всех инверторов. При этом дополнительных переэарядов коммутирующего конденсато35 ра не требуется.

Формула изобретения

1. Преобразователь, содержащий два трехфазных мостовых инвертора напряжения, каждый с трехфаэным выходным транс40 форматором, причем две трехфазные вторичные обмотки одного из них соединены по схеме "прямой зигзаг", а также блок управления, обеспечивающий фазовый сдвиг выходных напряжений указанных ин45 верторов на угол 2 д, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения выбора взаимно подавляемых гармоник и унификации трансформаторов, последние выполнены с одинаковыми обмоточными данными, при50 чем первичные обмотки имеют одинаковые схемы соединения, вторичные обмотки другого трансформатора соединены по схеме

"обратный зигзаг", выходные обмотки трансформаторов соединены в зигзаг, вклю55 чены последовательно или параллельно, а соотношение чисел витков К2 во вторичных обмотках, соединенных в зигзаг, выполнено для обоих трансформаторов одинаковым и

1793522

4 взаимосвязанным с упомянутым углом следующим выражением:

2щд

Кг=

К где д = —. -, N определяет номер подавляемых гармоник и выбирается из ряда чисел 1, 2...

2. Преобразователь по и.1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения групп взаимно подавляемых гармоник, он дополнен вторым преобразователем, аналогичным первому, а блок управления выполнен обеспечивающим фазовый сдвиг между импульсами управления одноименными вентилями соответствующих инверторов второго преобразователя на угол в три раза больший, чем аналогичный угол у перcoro преобразователя, импульсы управления вентилями первого инвертора второго преобразователя опережают по фазе импульсы одноименных им вентилей первого

5 инвертора первого преобразователя на упомянутый угол 2 д, а соотношение чисел витков Кар) вторичных обмоток второй пары трансформаторов устанавливается также одинаковым и равным

10 2т Зд

2(2) 3 я 3 причем суммарные напряжения вторичных обмоток всех трансформаторов одинаковы. а вторичные обмотки трансформаторов сое15 динены последовательно (попарно последовательно) или параллельно (попарно параллельно).

1793522

1793522

1793522

1793522

1793522

1793522

Составитель В.Высочанский

Редактор С.Кулакова Техред М.Моргентал Корректор Т.Палий

Заказ 509 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина. 101