ТРЁХФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР НА ОСНОВЕ СХЕМЫ СКОТТА
SCOTT CIRCUIT BASED THREE-PHASE INVERTER

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в автономных системах электроснабжения в качестве источника синусоидального напряжения.
Известен трехфазный инвертор на основе схемы Скотта, содержащий клеммы источника постоянного напряжения, преобразователь постоянного тока в переменный, содержащий первую ячейку, вторую ячейку и фазосдвигающее устройство, обеспечивающее фазовый сдвиг между напряжениями указанных ячеек, равный 90 электрических градусов, схему Скотта, содержащую первый трансформатор, содержащий первичную обмотку, сердечник и вторичную обмотку со средней точкой, и второй трансформатор, содержащий первичную обмотку, сердечник и вторичную обмотку, причем средняя точка вторичной обмотки первого трансформатора соединена с началом вторичной обмотки второго трансформатора, и клеммы для подключения симметричной нагрузки, причем названные ячейки преобразователя постоянного тока соединены с клеммами источника, выход первой ячейки преобразователя постоянного тока в переменный соединен с первичной обмоткой первого трансформатора схемы Скотта, выход второй ячейки соединен с первичной обмоткой второго трансформатора схемы Скотта, начало вторичной обмотки первого трансформатора, конец вторичной обмотки первого трансформатора и конец вторичной обмотки второго трансформатора соединены с соответствующими клеммами для подключения симметричной нагрузки [1]. Данный инвертор нашел широкое применение из-за схемной простоты, повышенной надежности и сравнительно низкой стоимости, однако его выходное напряжение отличается наличием высших гармонических составляющих, что сокращает область применения инвертора.
Техническим результатом изобретения является снижение уровня высших гармоник в выходном напряжении инвертора.
Поставленный технический результат достигается тем, что в трехфазный инвертор на основе схемы Скотта, содержащий клеммы источника постоянного напряжения, преобразователь постоянного тока в переменный, содержащий первую ячейку, вторую ячейку и фазосдвигающее устройство, обеспечивающее фазовый сдвиг между напряжениями указанных ячеек, равный 90 электрических градусов, схему Скотта, содержащую первый трансформатор, содержащий первичную обмотку, сердечник и вторичную обмотку со средней точкой, и второй трансформатор, содержащий первичную обмотку, сердечник и вторичную обмотку, причем средняя точка вторичной обмотки первого трансформатора соединена с началом вторичной обмотки второго трансформатора, и клеммы для подключения симметричной нагрузки, причем названные ячейки соединены с клеммами источника постоянного напряжения, выход первой ячейки преобразователя постоянного тока в переменный соединен с первичной обмоткой первого трансформатора схемы Скотта, выход второй ячейки соединен с первичной обмоткой второго трансформатора схемы Скотта, начало вторичной обмотки первого трансформатора, конец вторичной обмотки первого трансформатора и конец вторичной обмотки второго трансформатора соединены с соответствующими клеммами для подключения симметричной нагрузки, введен преобразователь двухфазного напряжения в трехфазное, выполненный по типу электрического асинхронного управляемого двигателя с заторможенным ротором, содержащим внутренний пазовый сердечник, в пазах которого размещена первичная двухфазная обмотка, первой фазой которой является горизонтальная обмотка, включенная между концом вторичной обмотки второго трансформатора схемы Скотта через настроечный конденсатор и концом вторичной обмотки первого трансформатора схемы Скотта, а второй фазой - вертикальная обмотка, размещенная по отношению к первой фазе со сдвигом в пространстве, равным 90 геометрических градусов, и включенная между концом обмотки первой фазы и началом вторичной обмотки первого трансформатора схемы Скотта, и внешний пазовый сердечник, соосный внутреннему, в пазах которого размещена трехфазная вторичная обмотка, соединенная с выходными клеммами для подключения симметричной нагрузки, причем параметры первичной двухфазной обмотки выбраны из условия образования кругового вращающегося магнитного поля (КВМП), при этом первичная и вторичная обмотки выполнены с неполным прямоугольным распределением линейной плотности проводников по расточке сердечников как двухслойные обмотки с сокращением шага на угол 2β, при этом
где n - любое целое нечетное число;
ν - номер гармоники.
На фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема трехфазного инвертора на основе схемы Скотта. На фиг. 2 представлен график закона распределения линейной плотности проводников по расточке сердечников преобразователя двухфазного напряжения в трехфазное.
Трехфазный инвертор на основе схемы Скотта содержит (фиг. 1) клеммы источника постоянного напряжения 1, преобразователь постоянного тока в переменный 2, содержащий первую ячейку 2-1, вторую ячейку 2-2 и фазосдвигающее устройство 2-3, обеспечивающее фазовый сдвиг между напряжениями указанных ячеек, равный 90 электрических градусов, схему Скотта 3, содержащую первый трансформатор 3-1, содержащий первичную обмотку (не обозначена), сердечник (не обозначен) и вторичную обмотку со средней точкой (не обозначена), и второй трансформатор 3-2, содержащий первичную обмотку (не обозначена), сердечник (не обозначен) и вторичную обмотку (не обозначена), причем средняя точка вторичной обмотки трансформатора 3-1 соединена с началом вторичной обмотки трансформатора 3-2, и клеммы для подключения симметричной нагрузки 4, 5 и 6, преобразователь двухфазного напряжения в трехфазное 7, выполненный по типу электрического асинхронного управляемого двигателя с заторможенным ротором, содержащим внутренний пазовый сердечник 7-1, в пазах которого размещена первичная двухфазная обмотка (не обозначена), первой фазой которой является горизонтальная обмотка 7-4, включенная между концом вторичной обмотки второго трансформатора 3-2 схемы Скотта 3 через настроечный конденсатор 7-5 и концом вторичной обмотки первого трансформатора 3-1 схемы Скотта 3, а второй фазой - вертикальная обмотка 7-3, размещенная по отношению к первой фазе со сдвигом в пространстве, равным 90 геометрических градусов, и включенная между концом 7-6 обмотки первой фазы 7-4 и началом вторичной обмотки первого трансформатора 3-1 схемы Скотта 3, и внешний пазовый сердечник 7-2, соосный внутреннему сердечнику 7-1, в пазах которого размещена трехфазная вторичная обмотка 7-7, соединенная с выходными клеммами для подключения симметричной нагрузки 8, 9 и 10. Параметры первичной двухфазной обмотки выбраны из условия образования кругового вращающегося магнитного поля (КВМП), а именно:
г
в
г
в
где I, I, w, w - токи и число витков горизонтальной 7-4 и вертикальной 7-3 обмоток;
г
в
F, F - МДС указанных обмоток.
Поскольку напряжения ячеек 2-1 и 2-2 преобразователя постоянного тока в переменный 2 являются несинусоидальными, то для нейтрализации гармоник ν=3, ν=5 и ν=7 как самых нежелательных распределение линейной плотности проводников по расточке сердечников 7-1 и 7-2 выбрано неполным прямоугольным (фиг. 2), т.е. указанные обмотки выполнены как двухслойные обмотки с сокращением шага на угол 2β и чтобы уничтожить ν-ю гармонику ЭДС, необходимо угол 2β принять равным
или в линейных размерах
где n - любое целое нечетное число;
τ - полюсное деление,
при этом шаг обмотки будет равен
для лучшего использования обмотки нужно выполнить у по величине как можно ближе к τ (полюсное деление), для чего необходимо взять n=1, тогда
причем для выполнения сокращения шага на целое число необходимо, чтобы число пазов сердечника z было кратно 2pmν, т.е. кратно 4ν, где m - число фаз.
Таким образом, если выполнить первичную и вторичную обмотки преобразователя постоянного тока в переменный 2 с неполным прямоугольным распределением, то для одной из них
а для другой
что при n=1 дает
тогда отношение амплитуды ЭДС седьмой гармоники к амплитуде ЭДС первой гармоники будет равно
т.е. обмоточный коэффициент по седьмой гармонике будет минимальным, поэтому напряжение на выходных клеммах для подключения симметричной нагрузки будет иметь форму, близкую к синусоидальной. Виды схем Скотта и режимы их работы описаны в [2], а включение двухфазной обмотки синхронного конденсаторного двигателя показано в [3].
Трехфазный инвертор работает следующим образом.
При появлении напряжения на клеммах источника постоянного напряжения 1 в работу вступает преобразователь постоянного тока в переменный 2, в первой ячейке 2-1 и во второй ячейке 2-2 постоянный ток преобразуется в переменный, при этом фазосдвигающее устройство 2-3 обеспечивает временный сдвиг между напряжениями указанных ячеек на 90 электрических градусов. Поскольку выходы ячеек 2-1 и 2-2 подключены к первичным обмоткам первого трансформатора 3-1 схемы Скотта 3 и второго трансформатора 3-2 указанной схемы, то на вторичных обмотках трансформаторов 3-1 и 3-2 появятся напряжения, которые на клеммах 4, 5, 6 образуют симметричную систему двухфазного напряжения. Напряжение вторичной обмотки первого трансформатора 3-1 схемы Скотта 3 через указанные клеммы 4, 5 подается на вертикальную обмотку 7-3 преобразователя двухфазного напряжения в трехфазное 7, в то время как горизонтальная обмотка 7-4 образует с вертикальной обмоткой 7-3 общую точку 7-6, которая подключена к выходу вторичной обмотки трансформатора 3-1, выход вторичной обмотки 7-4 преобразователя двухфазного напряжения в трехфазное 7 соединен с выходом вторичной обмотки трансформатора 3-2 схемы Скотта через настроечный конденсатор 7-5. Поскольку в первичной цепи выполнены все условия образования кругового вращающегося магнитного поля (КВМП), то в преобразователе двухфазного напряжения в трехфазное 7 в соответствии с формулой (2) образуется КВМП, силовые линии которого просекают витки трехфазной обмотки 7-7 и наводят в них симметричную систему ЭДС, используемую для питания потребителей с помощью выходных клемм для подключения симметричной нагрузки 8, 9 и 10.
Источники информации
1. Моин В.С., Лаптев Н.Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергия, 1972, стр. 159, рис. 5-20, в.
2. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины и микромашины. М.: ВШ, 1971, стр. 89, рис. 2.55, а.
3. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. М.: ВШ, 1988, стр. 77, рис. 3.11, 3.12, а.