ТРЕХФАЗНЫЙ МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ
THREE-PHASE MULTICHANNEL VOLTAGE INVERTER

Изобретение относится к области электротехники, называемой «силовая электроника», и может быть использовано в электроустановках при создании статических преобразователей частоты большой мощности.
В настоящее время в различных электроустановках, в регулируемых электроприводах, во вторичных источниках питания, в электроустановках связи с линиями передач постоянного тока и других электроустановках применяются инверторы напряжения, преобразующие постоянный ток в переменный. В этих инверторах используются полностью управляемые полупроводниковые приборы (УПП) (транзисторы или запираемые тиристоры), шунтированные «обратными» диодами. Указанные УПП соединяются в схему трехфазного моста. Соответствующее управление обеспечивает работу УПП в ключевом режиме, а регулирование выходного напряжения таких инверторов, как правило, осуществляется методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при котором в интервале одного периода основной частоты УПП многократно включаются и выключаются так, чтобы обеспечивались требуемые параметры основной волны (1-й гармоники) выходного напряжения. При этом потери энергии в УПП минимальны, но велики искажения выходного напряжения высокочастотными составляющими (составляющими «несущей» частоты). В одноканальных однотактных инверторах, у которых в фазе инвертора нет параллельных ветвей, для снижения уровней гармоник несущей частоты на нагрузке используются сглаживающие фильтры, применение которых может обусловить ухудшение технико-экономических показателей.
Для создания инверторов выпускается широкая гамма УПП. Допустимые токи этих приборов до нескольких кА, однако для установок большой мощности этого недостаточно. При параллельном соединении УПП или параллельном соединении трехфазных мостовых инверторов применяются различные способы выравнивания токов УПП, включенных параллельно, но они не влияют на форму кривой выходного напряжения инвертора.
Известна схема двухканального трехфазного инвертора напряжения (патент RU 2247466, МПК Н02М 7/44 от 01.10.2003), в котором для выравнивания фазных токов и для улучшения гармонического состава выходных напряжений используется трехстежневой уравнительный реактор. Это решение имеет ограниченное применение потому, что может быть использовано только для двухканальных инверторов.
Прототипом предлагаемого решения является известная схема трехфазного инвертора, в каждой фазе которого имеется по 3 параллельных канала, названные тактами (Иванов А.В. и др. Особенности работы инвертора с многотактной широтно-импульсной модуляцией. «Электричество», 1979 г., №8, стр.42-47, «Энергия»). УПП этих параллельных каналов каждой фазы переключаются со сдвигом в 1/3 периода несущей частоты. Для соединения параллельных каналов в выход фазы инвертора используются трехстержневые уравнительные реакторы с одной обмоткой на каждом стержне. Недостаток такого решения состоит в том, что для реализации инвертора с N каналами (N параллельными ветвями) необходимы уравнительные реакторы со сложными магнитопроводами (N-стержневые магнитопроводы). Кроме того, обмотка каждого стержня реактора создает значительный магнитный поток, проходящий вне магнитопровода (поток рассеяния), а это может быть недопустимо при размещении реактора в ограниченном пространстве.
Предлагаемая схема трехфазного многоканального инвертора напряжения, регулируемого методом ШИМ, обеспечивает улучшенную форму кривой напряжения на нагрузке и реализуется с помощью двухобмоточных уравнительных реакторов, потоки рассеяния которых могут быть минимальны. Магнитопроводы реакторов просты по конструкции. На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого трехфазного N-канального инвертора напряжения. В состав этого инвертора входят фазы 1, 2 и 3 с УПП. В каждой фазе содержится N параллельных ветвей (тактов). Управляющие входы УПП фаз 1, 2 и 3 связаны с выходом блока управления 4. Входы всех каналов фаз подключены к одному источнику постоянного тока 5 параллельно. Кроме того, в состав инвертора входят три группы двухобмоточных уравнительных реакторов 6, 7 и 8, в каждой из которой имеется N двухобмоточных уравнительных реакторов. Выходы каналов фазы 1 соединены с началами первичных обмоток (обмоток W1) группы реакторов 6 так, что выход А1 соединен с началом обмотки W1 первого реактора группы (реактора 1-6), выход А2 соединен с началом обмотки W1 второго реактора группы 6 (реактора 2-6) и т.д., а выход AN фазы 1 соединен с началом обмотки W1 реактора N-6. Аналогично соединены выходы каналов фазы 2 (выходы B1, B2, … BN) с началами обмоток W1 реакторов группы 7 и выходы каналов фазы 3 (выходы C1, C2, … CN) с началами обмоток W1 реакторов группы 8. В каждой группе реакторов концы обмоток W1 соединены с концами обмоток W2 реакторов по кольцевой схеме так, что конец обмотки W1 реактора 1-6 соединен с концом обмотки W2 реактора 2-6 и т.д. и конец обмотки W1 реактора N-6 соединен с концом обмотки W2 реактора 1-6. Начала обмоток W2 всех реакторов группы 6 соединены вместе и образуют выход фазы А инвертора. Аналогично соединены начала обмоток W2 реакторов групп 7, и эта точка соединения является выходом фазы В инвертора. Входом фазы С инвертора является точка соединения всех начал обмоток W2 реакторов группы 8.
Предлагаемый многоканальный инвертор напряжения работает как N-тактный инвертор с ШИМ. Такой алгоритм обеспечивается тем, что блок управления 4 подает на УПП фаз 1, 2 и 3 импульсы управления так, что на выходах каналов фаз создаются знакопеременные импульсы напряжения с несущей частотой. Фазовые сдвиги между выходными напряжениями каналов в одной фазе равны 1/N периода несущей частоты. Среднее значение напряжения на выходе каждого канала фазы за период несущей частоты определяется требуемой величиной основной волны выходного напряжения фазы инвертора. Указанные импульсы напряжений с выходов каналов одной фазы поступают на первичные обмотки уравнительных реакторов одной группы. За счет кольцеобразного соединения первичных и вторичных обмоток реакторы группы перемагничиваются с несущей частотой. В результате этого в N раз снижается амплитуда пульсаций напряжения фазы с несущей частотой, что обуславливает улучшение гармонического состава напряжения на выходе фазы инвертора. В предлагаемой схеме многоканального инвертора напряжения уравнительные реакторы с простой конструкцией магнитопровода. Намагничивающие силы от токов нагрузки, протекающих по катушкам каждого реактора, направлены встречно, поэтому подмагничивание магнитопровода этими токами может быть минимальным. Основное перемагничивание магнитопровода каждого реактора происходит с несущей частотой. Наибольшее напряжение несущей частоты на катушке реактора, равное 1/4 от напряжения на входе инвертора, возникает в те интервалы, когда основная волна напряжения на выходе фазы инвертора близка к нулю. При хорошей магнитной связи катушек реактора потоки рассеяния, создаваемые токами нагрузки инвертора, могут быть незначительными, поэтому реакторы можно устанавливать достаточно близко к токопроводящим элементам конструкции.