ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ТРЕХФАЗНОЕ КВАЗИСИНУСОИДАЛЬНОЕ
CONVERTER OF DC VOLTAGE INTO THREE-PHASE QUASI-SINUSOIDAL ONE

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано при построении преобразователей постоянного напряжения в трехфазное переменное при высоких требованиях к качеству выходного напряжения, к массогабаритным показателям, к КПД и надежности.
5
Известен преобразователь постоянного напряжения в трехфазное переменное, описанный, например, в [1]: Авторское свидетельство СССР №1610573, МКИ Н02М 7/539. Он выполнен в виде двух трехфазных инверторов напряжения с трансформаторным выходом, причем первичные обмотки у одного трансформатора соединены по схеме «звезда», у другого - по схеме «треугольник», а вторичные обмотки соединены пофазно согласно последовательно. Блок управления выполнен в виде двух систем управления - СУ1 и СУ2, реализующих в каждом трехфазном инверторе π-алгоритм управления, причем совокупности из шести импульсов управления одной СУ1 сдвинуты относительно другой СУ2 на угол π/6. Ближайшей высшей гармоникой в выходном напряжении является 11-я. На нее и рассчитывается выходной фильтр. Недостатком известного преобразователя [1] являются неприемлемые массогабаритные показатели при низких выходных частотах, в частности на частоте 50 Гц, что обусловлено двумя факторами: чрезмерно большой массой выходных трансформаторов, работающих на низкой частоте, и относительно большой массой выходного фильтра из-за недостаточной удаленности по частоте от основной гармоники ближайшей высшей гармоники.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное, приведенный на стр.34 в [2]: Михеев В.В., Мыцык Г.С., Дроздов B.C. Трехфазный инвертор с промежуточным звеном высокой частоты и расширенным диапазоном регулирования выходного напряжения / «Устройства и системы энергетической электроники». Тезисы докладов IV Всероссийской научно-технической конференции. - М.: НТФ ЭНЭЛ, 2002. Этот преобразователь выполнен в виде трех последовательно соединенных силовых звеньев - повышающего конвертора напряжения, трехфазного инвертора напряжения и выходного трехфазного Г-образного LC-фильтра. Улучшение спектрального состава выходного напряжения трехфазного инвертора осуществляется за счет использования в нем алгоритмов управления с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) по синусоидальному закону, что обеспечивает снижение установленной мощности и массы его выходного фильтра. Преобразователь содержит также два блока управления: первый для управления ключами однофазного инвертора конверторного звена и второй - для управления ключами трехфазного инвертора. В данном решении регулирование уровня трехфазного выходного напряжения преобразователя осуществляется частично в конверторном звене широтным способом на высокой (20÷30 кГц) частоте преобразования и частично в трехфазном инверторе. Для данного решения характерны следующие недостатки:
- однофазный инвертор в конверторном звене и трехфазный инвертор выполнены по одноканальной структуре, что в некоторых случаях применения не обеспечивает заданного уровня надежности преобразователя;
- приемлемые массогабаритные показатели выходных фильтров конверторного и трехфазного инверторного звеньев при одноканальном их исполнении могут быть обеспечены лишь за счет соответствующего повышения их рабочих частот, что при определенных значениях этих частот входит в противоречие с ухудшающимися энергетическими показателями из-за чрезмерного роста динамических потерь в полупроводниковых элементах;
- инверторная часть в конверторном звене выполнена по схеме инвертора с нулевой точкой (с двумя транзисторами и двумя первичными полуобмотками трансформатора). Наряду с известными ее достоинствами схема имеет недостаток, заключающийся в необходимости введения в нее средств защиты от импульсных перенапряжений, обусловленных индуктивностями рассеяния указанных полуобмоток. Использование традиционных энергорассеивающих решений (снабберов) приводит к ухудшению энергетических показателей однофазного инвертора.
Технический результат, который может быть достигнут при использовании изобретения, заключается в ослаблении или даже исключении указанных недостатков. Это обеспечивается тем, что в преобразователе постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное, содержащем последовательно соединенные повышающий конверторный силовой блок с широтным регулированием напряжения и трехфазный инверторный силовой блок с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения по синусоидальному закону и с выходным фильтром переменного тока, причем каждый из этих силовых блоков имеет свой блок управления, реализующий заданный алгоритм их управления на заданной тактовой частоте, а конверторный блок включает в себя последовательно включенные однофазный высокочастотный двухтактный инвертор с согласующим трансформатором, выпрямитель и сглаживающий фильтр, причем высокочастотный однофазный двухтактный инвертор содержит две подключенные к низковольтным шинам питания аналогичные цепочки, каждая из которых выполнена в виде последовательно включенных первичной обмотки согласующего трансформатора и транзистора, зашунтированного диодом, отличающийся тем, что конверторный силовой блок выполнен по N-канальной структуре - в виде N числа аналогично выполненных конверторных звеньев, силовые входы которых соединены параллельно, а выходы - последовательно. Трехфазный инверторный силовой блок выполнен по двухканальной структуре - в виде двух силовых каналов, каждый из которых представляет собой трехфазную инверторную схему, причем по своим шинам питания они соединены параллельно, а по выходу каждые две одноименные фазы двух трехфазных инверторных схем - параллельно через две последовательно соединенные обмотки одного из трех однофазных трансфильтров, каждый из которых выполнен на однофазном магнитопроводе, причем точки соединения обмоток каждого из этих трех трансфильтров подключены к входам трехфазного фильтра переменного тока, блок управления N-канальным конверторным блоком выполнен реализующим фазовый сдвиг алгоритмов управления между его конверторными звеньями на угол 2π/N на своей тактовой частоте, а блок управления двуканальным трехфазным инверторным силовым блоком выполнен реализующим фазовый сдвиг между алгоритмами управления его каналами на угол π на тактовой частоте широтно-импульсной модуляции.
Технический результат изобретения обеспечивается также тем, что между одноименными по полярности первичными обмотками согласующего трансформатора каждого из N-конверторных звеньев включен накопительный конденсатор.
Техническая сущность изобретения поясняется чертежами:
- на фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема преобразователя постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное;
- на фиг.2 приведена временная диаграмма, поясняющая принцип работы конверторного блока, выполненного по двухканальной структуре;
- на фиг.3 приведена логическая часть блока управления конвертором;
- на фиг.4 представлены осциллограммы выходного напряжения инверторного блока до фильтра и после фильтра.
Преобразователь постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное на фиг.1 содержит четыре последовательно включенных силовых преобразующих блока: повышающий конвертор 1 (с блоком управления 2), трехфазный инверторный блок 3 (с блоком управления 4), блок трансфильтров 5 и блок выходных фильтров 6. В данном примере (на фиг.1) конверторный блок выполнен по двуканальной структуре (то есть при N=2) на основе двух двухтактных однофазных инверторов, которые могут выполняться по одной из известных инверторных схем (например, по нулевой схеме или по схеме на фиг.1), но алгоритмы их работы сдвинуты на их рабочей частоте на угол π.
П
П
П
П
П
d0
1
2
1
2
1
2
2
T
2
Рассмотрим более подробно структуру конверторного двухзвенного блока. Первое конверторное звено содержит транзисторы 7, 8, зашунтированные соответственно диодами 9, 10. Для повышения питающего напряжения низкого уровня Е используется четырехобмоточный трансформатор 11 с первичными 12, 13 и вторичными 14, 15 обмотками, которые совместно с диодами 16, 17 образуют выпрямитель по нулевой схеме. Накопительный конденсатор 18 включен между одними одноименными по полярности концами первичных обмоток 12, 13; другой по полярности конец первичной обмотки 12 подключен к положительной шине источника питания Е, а аналогичный по полярности конец второй первичной обмотки 13 подключен к минусовой шине источника питания Е. Кроме того, одна (плюсовая) обкладка накопительного конденсатора 18 через транзистор 7 подключена к минусовой шине источника питания Е, а вторая (минусовая) его обкладка - через диод 10 к плюсовой шине источника питания Е. Двухтактный однофазный инвертор совместно с выпрямительным узлом на элементах 14÷17 образует силовую часть первого канала конверторного блока 1. Силовая часть второго канала выполнена аналогичным образом на элементах 19÷27. Выходы двух конверторных звеньев (каналов) соединены между собой согласно последовательно, образуя силовые выходы (с полярностью «+», «-») конверторного блока 1, между которыми включен сглаживающий Г-образный LC-фильтр, включающий в себя дроссель индуктивности 31 и конденсатор 32. Конверторный блок 1, обеспечивающий питание трехфазного инверторного блока 3 (повышенным напряжением U), также выполнен в виде двух каналов - в виде двух трехфазных мостовых инверторных схем 33 и 34. При этом выходы этих инверторных схем (33, 34) соединены между собой пофазно (A с А, B с В, C с С) параллельно через полуобмотки трансфильтров 35, 36, 37 соответственно. Таким соединением обеспечивается суммирование токов инверторных каналов с равномерным их делением между собой. Для доведения качества выходного напряжения до требуемого уровня на выходе блока 5 установлен блок фильтров 6. Он содержит три дросселя индуктивности 38, 39, 40, включенных последовательно в каждой фазе инверторного блока 3, и три конденсатора 41, 42, 43, включенных на линейные напряжения (между выходными выводами 44, 45, 46). Управление трехфазными инверторами 33, 34 осуществляется блоком управления 4, который содержит таймер 47, обеспечивающий требуемый набор последовательностей импульсов соответствующих частот для управления функциональными узлами 48+52. Узел 48 обеспечивает формирование задающего трехфазного напряжения (ЗТН) синусоидальной (или близкой к ней) формы с частотой, равной частоте f выходного напряжения инверторного блока 3. Каждый из функциональных узлов 49, 50 представляет собой трехфазный модулятор ширины импульсов, включающий в себя генератор пилообразного напряжения (соответственно ГПН1 и ГГТН2) с тактовой частотой f>>f и три компаратора. Входы этих узлов 49, 50 (ГПН1 и ГПН2) подключены к выходу узла 48 (ТН), а их выходы подключены ко входам узлов 51, 52, которые выполняют функцию формирования соответствующих последовательностей импульсов управления и распределения их между ключами трехфазных инверторов 33, 34. Более детальное описание принципа построения блока 4 дано, например, в [3]: Михеев В.В., Мыцык Г.С. и др. «Трехфазный инвертор для системы резервного электропитания». Практическая силовая электроника, 2005, №17, с.5÷11.
Электропитание блоков управления 2, 4 осуществляется от блока питания внутренних нужд 53.
0
01
02
1
2
1
2
1
2
3
4
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mn>2</mn></msub></mrow>
Логическая часть (фиг.3) блока управления 2 ключами 7, 8, 19, 20 конверторного блока 1 выполнена в соответствии с временной диаграммой обработки сигналов, представленной на фиг.2. Она содержит таймер 54, генерирующий три последовательности импульсов: последовательность sчастоты 4f; и две последовательности s и s частоты 2f, сдвинутые между собой на полпериода частоты 2f; распределитель импульсов 55 на два канала с сигналами р;
и р;
с частотой f, сдвинутыми между собой по фазе на угол π/2; два генератора пилообразного напряжения 56, 57; два компаратора 58, 59 с выходными сигналами S и S; и четыре логических элемента «И» - 60, 61, 62, 63, обеспечивающие формирование и распределение управляющих импульсов ψ, ψ, ψ, ψ по транзисторам 7, 8, 19, 20 конверторного блока 1 в соответствии со следующими логическими выражениями (см. фиг.2 и 3):
<mrow><msub><mi>ψ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>ψ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>¯</mo></mover><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>ψ</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>p</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>ψ</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>¯</mo></mover><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>p</mi><mo>¯</mo></mover><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
;
;
;
.
П
C
П
П
П
S
C
П.
C
П
Описание принципа работы высокочастотных однофазных двухтактных инверторов конверторного блока рассмотрим на примере инвертора на транзисторах 7, 8 (поскольку оба инвертора выполнены и работают аналогично). Заметим, что изначально даже до начала работы транзисторов 7, 8 сразу же после подачи на инвертор напряжения питания Е из-за индуктивностей рассеяния обмоток накопительный конденсатор 18 заряжается до напряжения U>Е (по контуру: Е - обмотка 12 - обмотка 13 (которые включены бифилярно) - Е). Топология инвертора (с накопительным конденсатором 18) обеспечивает энергонерассеивающий возврат энергии индуктивностей рассеяния обмоток 12, 13 в источник питания и в выходную цепь конверторного блока. Происходит это следующим образом. Пусть, например, транзистор 7, отработав положенный ему интервал, оказался в запертом (непроводящем) состоянии. Тогда энергия, накопленная в индуктивности рассеяния L обмотки 12, передается в накопительный конденсатор 18 по контуру: обмотка 12 - конденсатор 18 - диод 10 - обмотка 12. Эта энергия консервируется в конденсаторе 18, а возросшее напряжение на нем определяется уже усиленным неравенством U>ЕДалее следует интервал регулирования, определяемый углом α, когда оба транзистора заперты и когда накопительный конденсатор через бифилярно включенные обмотки 12, 13 разряжается в колебательном режиме (из-за наличия индуктивностей рассеяния в обмотках 12, 13) на источник питания до напряжения U≈Е, возвращая в него накопленную энергию. Затем после регулировочной паузы α отпирают второй транзистор 8, который после отработки своего интервала времени запирают. Энергия, накопленная в индуктивности рассеяния и этой обмотки 13, снова передается в тот же накопительный конденсатор 18 (по контуру: обмотка 13 - диод 9 - конденсатор 18 - обмотка 13), подзаряжая его. Затем в последующую регулировочную паузу α конденсатор 18, разряжаясь на источник питания, снова возвращает ему накопленную в результате коммутации обмотки 13 энергию. Следовательно, за период работы первого конверторного звена (канала) накопительный конденсатор 18 подзаряжается дважды и дважды возвращает накапливаемую в нем энергию в источник питания.
T
Инверторный блок в данном примере так же, как и конверторный блок, выполнен по двухканальной структуре в виде двух трехфазных инверторов по мостовой схеме. Ключи каждой стойки каждого из инверторов управляют по алгоритму двухполярной ШИМ (ДШИМ) по синусоидальному закону, причем алгоритмы ДШИМ в трехфазных инверторах сдвинуты между собой на тактовой частоте f на угол π. В результате выходное напряжение преобразователя приобретает улучшенный спектральный состав (имея вид сигнала с трехступенчатой формой и однополярной ШИМ (ОШИМ - фиг.4), который и обеспечивает улучшение массогабаритных показателей трехфазного фильтра переменного тока на его выходе.
Таким образом, технический результат изобретения достигается N-канальным исполнением конверторного и двухканальным исполнением инверторного силовых блоков, а также модифицированной структурой высокочастотного однофазного двухтактного инвертора конверторного блока. Он заключается в следующем:
- в повышении надежности устройства в целом - при отказе одного из силовых звеньев в конверторном или инверторном силовых блоках устройство принципиально остается работоспособным;
- в снижении общих потерь, в том числе за счет применения модифицированной структуры высокочастотного двухтактного инвертора, которая нейтрализует импульсные перенапряжения на его транзисторах, обусловленных индуктивностями рассеяния первичных обмоток согласующих трансформаторов;
- в улучшении массогабаритных показателей:
а) выходного сглаживающего фильтра конверторного блока за счет снижения уровня пульсаций его выходного напряжения и повышения в N раз частоты этих пульсаций;
б) трехфазного фильтра переменного тока на выходе инверторного блока за счет формирования улучшенного спектрального состава выходного напряжения.