ТРЕХФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР ТОКА

Полезная модель относится к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании преобразователей постоянного или переменного напряжения в регулируемый по частоте и амплитуде трехфазный ток, например, для питания электродвигателей.
Известны трехфазные инверторы тока, содержащие коммутатор фаз, собранный из однонаправленных управляемых ключей (тиристоров) по схеме трехфазного мостового выпрямителя, подключенный своими двумя входными выводами через дроссель к зажимам питания, тремя фазными выходными выводами - к соответствующим трем зажимам нагрузки и к первым выводам соответствующих трех конденсаторов, соединенных в звезду, а управляющими выводами - к соответствующим выходам схемы управления (Д.А.Бут. Бесконтактные электрические машины: Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 1990, стр.224, рис.5.26).
Недостатком известных трехфазных инверторов тока является узкий диапазон регулирования амплитуды и прямоугольная форма фазных токов, приводящие к большим тепловым потерям в цепях нагрузки от высших гармоник, а также наличие специальной схемы для запирания тиристоров.
Известны трехфазные инверторы тока, содержащие коммутатор фаз, собранный из однонаправленных управляемых ключей (тиристоров) по схеме трехфазного мостового выпрямителя, подключенный своими двумя входными выводами через дроссель и регулятор напряжения (управляемый выпрямитель) к зажимам питания (к трехфазной сети), тремя фазными выходными выводами - к соответствующим трем зажимам нагрузки и к точкам соединения конденсаторов, включенных по схеме треугольника, а управляющими выводами - к соответствующим выходам схемы управления, подключенной своими дополнительными выходами к управляющим выводам регулятора напряжения
(Б.Карлов, Е.Есин. Современные преобразователи частоты: методы управления и аппаратная реализация. Силовая электроника, №1, 2004 г., с.50-53, рис.1).
Недостатком известных трехфазных инверторов тока является прямоугольная форма фазных токов, приводящая к большим тепловым потерям в цепях нагрузки от высших гармоник, а также невозможность регулирования напряжения при питании от источника постоянного напряжения.
Известен трехфазный инвертор тока, содержащий коммутатор фаз, собранный из однонаправленных управляемых ключей по схеме трехфазного мостового выпрямителя, подключенный своими двумя входными выводами через дроссель и регулятор напряжения (импульсный повышающий ШИМ-модулятор) к зажимам питания, тремя фазными выходными выводами - к соответствующим трем зажимам нагрузки и к первым выводам соответствующих трех конденсаторов, соединенных в звезду, а управляющими выводами - к соответствующим выходам схемы управления, подключенной своим дополнительным выходом к управляющему выводу регулятора напряжения. (Е.Карташев. ШИМ-инверторы с активной коммутацией выпрямителей. Компоненты и технологии, №9, 2004 г., с.78-82, рис.2 - прототип).
Недостатком известного трехфазного инвертора тока является прямоугольная форма фазных токов, приводящая к большим тепловым потерям в цепях нагрузки от высших гармоник.
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является последний из перечисленных известных трехфазных инверторов тока.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение синусоидальной формы фазных токов.
Техническим результатом предложения является снижение тепловых потерь в цепях нагрузки от высших гармоник тока, а следовательно повышение КПД электродвигательных и подобных потребителей, а также повышение срока службы изоляции их обмоток и подводящих проводов.
Указанный результат обеспечивается благодаря тому, что в трехфазный инвертор тока, содержащий коммутатор фаз, собранный из однонаправленных управляемых ключей по схеме трехфазного мостового выпрямителя, подключенный своими двумя входными выводами через дроссель и регулятор напряжения к зажимам питания, тремя фазными выходными выводами - к соответствующим трем зажимам нагрузки и к первым выводам соответствующих трех конденсаторов, а управляющими выводами - к соответствующим выходам схемы управления, подключенной своим дополнительным выходом к управляющему выводу регулятора напряжения, введены три двунаправленных управляемых ключа, каждый из которых включен между соответствующим фазным выходным выводом коммутатора фаз и вторым выводом соответствующего конденсатора, а своим управляющим выводом подключен к соответствующему вспомогательному выходу схемы управления, выполненной с цепями обратных связей по входному и выходным токам коммутатора фаз и с регулируемым эталонным генератором трехфазных синусоидальных и соответствующего пульсирующего выпрямленного сигналов, а также возможностью импульсной модуляции своих выходных сигналов в соответствии с сигналами регулируемого эталонного генератора.
По существу технический результат обеспечивается благодаря возможности плавного циклического перераспределения пульсирующего по заданному закону знакопостоянного тока дросселя по трем фазным выходным выходам. Переключение тока по фазам обеспечивается с помощью двунаправленных управляемых ключей и коммутатора фаз, а плавность (синусоидальность) формы
токов - с помощью относительно высокочастотного ШИМ-регулирования однонаправленных ключей коммутатора фаз. Управление регулятором напряжения и коммутатором фаз производится с помощью схемы управления, в цепях обратной связи которой производится сравнение регулируемых входного и выходных токов коммутатора фаз с соответствующими выходными сигналами регулируемого (по команде) эталонного генератора трехфазных и пульсирующего выпрямленного сигналов.
Лабораторные испытания подтверждают возможность широкого промышленного использования предложенного трехфазного инвертора тока.
На фиг.1 приведена принципиальная силовая схема предлагаемого трехфазного инвертора тока.
A
B
C
A
B
C
d
На фиг.2 показана временные диаграммы выходных синусоидальных фазных токов трехфазного инвертора тока (I, I, I) и пульсирующего однополярного тока дросселя (I(L)), совпадающие по форме с соответствующими выходными сигналами регулируемого эталонного генератора (φ, φ, φ и φ).
Трехфазный инвертор тока содержит коммутатор тока фаз 1, собранный из однонаправленных управляемых ключей (например, транзисторов) по схеме трехфазного мостового выпрямителя, дроссель 2, регулятор 3 напряжения, зажимы 4 и 5 питания, зажимы 6, 7 и 8 нагрузки, конденсаторы 9, 10 и 11, схему управления 12 и двунаправленные управляемые ключи 13, 14 и 15 (например, симисторы или встречно включенные парные тиристоры).
Коммутатор фаз 1 подключен своими входными выводами через дроссель 2 и регулятор 3 напряжения (понижающий импульсный ШИМ-конвертор) к зажимам питания 4, 5, тремя фазными выходными выводами - к соответствующим зажимам 6, 7, 8 нагрузки и к первым выводам соответствующих конденсаторов 9,
L
A
B
C
A
B
C
d
A
B
C
d
A
B
C
L
A
B
C
d
10, 11, а управляющими выводами - к соответствующим выходам схемы управления 12. Схема управления 12 своим дополнительным выходом подключена к управляющему выводу регулятора напряжения 3, а тремя вспомогательными выходами - к управляющим выводам соответствующих двунаправленных управляемых ключей 13, 14, 15, каждый из которых включен между вторым выводом соответствующего конденсатора и соответствующим зажимом нагрузки. Схема управления 12 выполнена с цепями обратных связей по входному (току дросселя I) и выходным (I, I, I) токам коммутатора фаз 1 и с регулируемым эталонным генератором трехфазных синусоидальных (φ, φ, φ) и соответствующего пульсирующего выпрямленного (φ) сигналов. Она выполнена с возможностью импульсной модуляции своих выходных сигналов в соответствии с сигналами (φ, φ, φ и φ) регулируемого (по внешней команде) эталонного генератора (например, в виде резистивного трехфазного регулируемого делителя с мостовым выпрямителем, подключенные к трехфазной сети, к синхронному генератору или трем синхронизированным звуковым генераторам). Это осуществляется с помощью схем сравнения сигналов датчиков I, I, I и I с сигналами φ, φ, φ и φ, соответственно (обычным для систем управления способом).
L
d
d
A
Трехфазный инвертор тока работает следующим образом. Регулятор напряжения 3 модулирует свое выходное напряжение таким образом, чтобы ток дросселя 2 (I), измеряемый датчиком тока и сравниваемый по форме с сигналом (φ) управляемого эталонного генератора, повторял пульсирующую однополярную кривую φ (показана на фиг.2, внизу). Этот ток плавно циклически перераспределяется по трем фазным выходным выводам коммутатора фаз 1 и, соответственно, по трем зажимам питания (6, 7, 8). Для пояснения этого процесса начнем рассмотрение с момента времени t=0 (см. фиг.2), при котором I=0,
C
B
C
A
B
L
A
B
C
I=-I (за положительные направления токов примем показанные на рис.1). В этот момент включен верхний правый и нижний средний ключи коммутатора фаз 1. Далее необходимо, чтобы положительный ток I снижался, ток I плавно нарастал, начиная с нуля, а абсолютная величина отрицательного тока I плавно увеличивалась. Для этого включаем верхний левый ключ коммутатора фаз 1 и двунаправленный ключ 13, и начинаем осуществлять широтно-импульсную модуляцию сигнала управления верхним правым ключем коммутатора фаз 1. При первом же его кратковременном выключении весь ток I дросселя 2 начнет протекать через верхний левый ключ коммутатора фаз. Часть этого тока вызывает небольшое нарастание положительного тока I и абсолютной величины отрицательного тока I. При этом ток I вынужден протекать через заряжаемый им конденсатор 9, т.е. снижаться по величине. Количественно это перераспределение полностью соответствует первому закону Кирхгофа:
L
A
C
B
I=I+I=|I|.
A
B
C
Затем верхний правый ключ коммутатора фаз 1 вновь включается, давая возможность заряженному конденсатору 9 частично разрядиться в цепь нагрузки, что приводит к дальнейшему нарастанию положительного тока I и абсолютной величины тока I, а также спаданию положительного тока I.
L
A
C
A
B
Далее процесс качественно циклически повторяется до момента времени t=T/12, при котором ток дросселя I, регулируемый с помощью регулятора напряжения 3, достигает своего максимума Im, причем I=IС, |IВ|=Im, после чего начинает снижаться. Это, в свою очередь, приводит к снижению абсолютной величины тока IВ. В момент времени t=T/6: I=0, I=-I. С этого момента вместо верхнего правого включается нижний правый ключ коммутатора фаз 1, давая
C
B
возможность току I поменять направление на противоположное. Верхний левый и нижний средний остаются включенными. Кроме того двунаправленный ключ 13 выключается, а 15 - включается. Теперь снижение абсолютной величины тока I производится с помощью ШИМ-регулирования нижнего среднего ключа коммутатора фаз 1 за счет зарядки конденсатора 11.
В дальнейшем все вышеописанные процессы периодически повторяются, обеспечивая на выходе устройства трехфазную систему синусоидальных токов с заданными регулируемыми частотой и амплитудой, в соответствии с сигналами эталонного генератора, с сигналами от датчиков тока и разностными сигналами схем сравнения, входящих в состав схемы управления.