СПОСОБ ИНВЕРТИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ
METHOD OF INVERTING VOLTAGE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в статических инверторах напряжения для питания электроэнергетических систем переменного тока, а также для питания тягового электропривода.
Уровень техники
Из уровня техники известен способ импульсного преобразования постоянного напряжения и устройство для его осуществления [патент РФ №2510871], где энергию от источника питания постоянного тока непрерывно передают подключенной к нему емкостной стойке с двумя конденсаторами. Путем импульсного управления двумя регулируемыми ключами на первом этапе каждого периода высокочастотного периодического процесса дозирования осуществляют накопление энергии в дозирующем дросселе, подключая его к одному из двух конденсаторов стойки через замкнутый один из двух регулирующих ключей при разомкнутом другом ключе. На втором этапе энергию, накопленную на первом этапе, передают в другой конденсатор стойки при разомкнутых состояниях обоих ключей от дозирующего дросселя через один из двух выпрямительных диодов. Энергию, накапливаемую в конденсаторах стойки и в дозирующем дросселе, и энергию источника питания непрерывно передают в нагрузку переменного тока по двунаправленной цепи между средними выводами источника питания и емкостной стойки, периодически изменяя величину и полярность напряжения нагрузки на чередующихся полупериодах низкочастотного периодического процесса. На этапах длительности каждого его периода при нарастании напряжения нагрузки энергию, накопленную в первом конденсаторе емкостной стойки и источника питания, дозированно передают во второй конденсатор и в нагрузку. На этапах длительности того же периода при спадании напряжения нагрузки или при его неизменности энергию из второго конденсатора стойки и источника питания дозированно передают в первый конденсатор и в нагрузку.
К недостаткам такого решения можно отнести наличие накопительных конденсаторов, что снижает надежность и безотказность. Импульсное дозирование энергии, передаваемой в нагрузку, ухудшает электромагнитную совместимость с другим оборудованием.
Также известен способ инвертирования напряжения на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем [Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М., Солуянов П.В. Судовые полупроводниковые преобразователи. СПб.: Изд-во СПбГМТУ, 2011 г.], имеющего первичную круговую обмотку по типу якорной обмотки машины постоянного тока и трехфазную вторичную обмотку по типу статорных обмоток машин переменного тока. В данном способе инвертирование постоянного входного напряжения в переменное синусоидальное выходное реализуется за счет создания ступенчато вращающегося магнитного поля, для чего попарно коммутируются диаметральные отводы первичной круговой обмотки, в порядке последовательной очередности, в результате чего формируется дискретно перемещающееся магнитное поле, которое формирует ступенчатую многофазную систему ЭДС, снимаемую с вторичной многофазной обмотки.
К недостаткам такого решения можно отнести дискретную коммутацию отводов первичной обмотки, что приводит к низкому качеству напряжения на его выходе. Улучшение качества выходного напряжения в этом случае возможно только схемотехнически, за счет большого числа отводов круговой первичной обмотки и коммутирующих полупроводниковых ключей, что приводит к излишней громоздкости. Основным же недостатком способа является невозможность плавного регулирования уровня выходного напряжения, что сужает область его применения. Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к предлагаемому изобретению.
Раскрытие изобретения
Инвертированием в силовой электротехнике называют процесс преобразования постоянного напряжения в переменное. Этот процесс является обратным выпрямлению. Различают следующие типы инверторов: инверторы напряжения, инверторы тока и резонансные инверторы. Наиболее широкой областью применения обладают автономные инверторы напряжения, это лучший универсальный преобразователь электрической энергии. Кроме основной функции преобразования постоянного напряжения в переменное, все инверторы напряжения могут выполнять обращенную функцию, преобразуя переменное напряжение в постоянное. Таким образом, на базе любого автономного инвертора напряжения может быть реализован двунаправленный обратимый преобразователь.
В основе автономного инвертирования напряжения лежит рассмотрение переменного тока как периодически реверсируемого постоянного тока, из-за чего все устройства, реализующие такой способ преобразования, основаны на реверсивной мостовой схеме, состоящей из полупроводниковых ключей. Форма выходного напряжения при этом находится в зависимости от коммутационной функции полупроводникового коммутатора на базе реверсивной мостовой схемы. Простейшим случаем инвертирования является преобразование с прямоугольной формой выходного напряжения. При этом преобразование постоянного напряжения первичного источника в переменное достигается с помощью полупроводниковых ключей, периодически коммутируемых таким образом, чтобы получить знакопеременное напряжение на зажимах нагрузки.
Увеличение качества выходного напряжения при инвертировании с квазисинусоидальной формой выходного напряжения в переменное напряжение по форме, близкое синусоидальной, достигается за счет применения соответствующих алгоритмов модулирования управления полупроводниковыми ключами реверсивной мостовой схемы по синусоидальному закону. Затем с помощью высокочастотного фильтра нижних частот выделяют синусоидальную составляющую выходного напряжения инвертора. Иногда индуктивную нагрузку питают напрямую от выхода инвертора напряжения, поскольку потребляемый от него ток сглаживается реактивным характером нагрузки.
Дальнейшее качество выходного напряжения в существующих инверторах может быть улучшено за счет применения многоуровневых алгоритмов преобразования, реализуемых в модифицированных схемах инверторов. Использование данных методов обусловлено необходимостью улучшения качества выходного напряжения, дальнейшее повышение которого в одноуровневом инвертировании ограничено предельной допустимой скоростью коммутации полупроводниковых ключей. Многоуровневое преобразование реализуется за счет применения амплитудной модуляции, которая позволяет сформировать ступенчатую кривую выходного напряжения, аппроксимирующую синусоиду. Эта схема имеет некоторые преимущества, например возможность уменьшения рабочих напряжений полупроводниковых ключей. Недостатком является необходимость наличия нескольких источников постоянного напряжения или разделения уровней при помощи конденсаторов большой емкости (секционирование источника питания емкостным делителем).
В целом, появление мощных полностью управляемых полупроводниковых ключей с высокой частотой коммутации дало толчок к развитию импульсных преобразователей и поиску различных алгоритмов управления ими. Появление новых способов широтно-импульсного управления позволило создать преобразователи с улучшенными характеристиками - повышению коэффициента потребляемой мощности, качеством выходного напряжения и тока, сниженными массой и габаритами. Одновременно с этим произошло повышение частоты коммутации вентилей, которая во много раз превышает частоту питающей сети, и еще больше - по сравнению с классическими преобразователями. Это ведет к повышенному тепловыделению вентилей, ухудшению электромагнитной совместимости и снижению надежности их работы - поскольку процесс коммутации является самым напряженным режимом работы, сопровождаемым кроме того, выбросами напряжения при разрыве кривой тока.
Главной технической проблемой современной силовой преобразовательной техники можно признать процесс коммутации тока и снижение коммутационных выбросов ЭДС, а также приближение формы выходного напряжения инверторов к идеальной синусоиде.
Как правило, в существующих статических преобразователях трансформаторы применяются главным образом для согласования напряжения питающей сети с напряжением на выходе преобразователя. В мощных статических преобразователях частоты, чаще всего, используется звено постоянного тока, получаемое выпрямлением переменного напряжения сети, а для гальванической развязки и согласования напряжения используется силовой трансформатор.
Для улучшения электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей, и в частности, инверторов напряжения, и улучшения качества выходного напряжения и потребляемого из сети тока, было предложено использовать новый тип согласующих трансформаторов с вращающимся полем. В основе таких трансформаторов лежит асинхронный двигатель с заторможенным ротором, при этом, как правило, число зубцов "статора" совпадает с числом зубцов "ротора", либо как вариант, первичная и вторичная обмотки укладываются в общий паз. В качестве обмотки переменного тока используется многофазная (чаще всего трехфазная) обмотка по типу статорных обмоток электрических машин переменного тока. В качества обмотки на стороне постоянного тока используется круговая обмотка по типу якорных обмоток машин постоянного тока, уложенная в пазах, и разделенная на секции с отводами от них. Принципиальная электрическая схема такого трансформатора представлена на фигуре 1.
При работе преобразователя в режиме выпрямителя многофазная первичная обмотка создает вращающееся магнитное поле, имеющее пространственное распределение и перемещающееся (вращающееся) во времени, наводя во вторичной круговой обмотке переменную ЭДС. При заданном направлении вращения магнитного поля полярность индуцируемой в секциях круговой обмотки ЭДС будет зависеть от того, какой магнитный полюс на них воздействует. При этом во всех проводниках, расположенных под одним магнитным полюсом, полярность ЭДС будет одинаковой. Вместе с магнитным полем, созданным первичной обмоткой, вращается и геометрическая ось симметрии системы ЭДС круговой обмотки. Секции круговой обмотки, в которых наводится ЭДС, располагаются по обе стороны от оси симметрии. Половины круговой обмотки, определяемые геометрической осью симметрии (называемой диагональю круговой обмотки), имеют встречную полярность и равны друг другу по модулю. Равенство суммы ЭДС всех секций круговой обмотки предопределяет отсутствие кольцевых уравнительных токов. Схема системы ЭДС круговой обмотки с 4 выводами приведена на фигуре 2. Круговая обмотка замкнута и симметрична, но при отсутствии внешней нагрузки тока в ней нет, поскольку ЭДС всех ее секций уравновешивают друг друга при условии симметрии первичной питающей сети. Максимальное выходное напряжение снимается с отводов круговой обмотки, расположенных на диагонали друг к другу, совпадающей с геометрической осью симметрии системы ЭДС. Коммутируя отводы ее диагонали вслед за вращением магнитного поля, получают выпрямленное напряжение. Главной особенностью режима выпрямления является плавное пространственное перемещение полюсов вращающегося магнитного поля, что предопределяется непрерывностью функции входного переменного многофазного напряжения.
При инвертировании напряжения на базе трансформатора с вращающимся полем назначение обмоток меняется: круговая обмотка становится первичной, а многофазная обмотка - вторичной. В основе способа инвертирования лежит коммутация диаметральных отводов круговой обмотки, в результате чего создается направленное магнитное поле, пространственное распределение которого зависит от задействованной диагонали обмотки. При последовательной поочередной коммутации отводов возникает дискретное ступенчатое перемещение суммарного магнитного поля, которое возбуждает в многофазной (чаще всего трехфазной) вторичной обмотке ступенчатую систему ЭДС. Последовательность работы полупроводниковых ключей коммутатора для случая с 4 отводами круговой обмотки приведена на фигуре 3, а форма выходного напряжения на фигуре 4. Частота выходного напряжения инвертора при этом определяется скоростью коммутации отводов первичной круговой обмотки. Дискретность коммутации отводов круговой обмотки приводит к значительному ухудшению качества выходного напряжения и его гармонического состава. В качестве меры против таких искажений используют ряд технологических приемов, в том числе: сокращение шага многофазной обмотки по пазам, скос пазов и увеличение числа отводов круговой обмотки. Последний способ повышения качества требует значительного увеличения числа полупроводниковых ключей реверсивного мостового коммутатора, что может быть излишне громоздко.
Невозможность создания плавно вращающегося, непрерывного магнитного поля - главный недостаток такого способа инвертирования напряжения. Кроме того, ему свойственен еще один принципиальный недостаток: поскольку управление диагоналями круговой обмотки предопределяет неизменность амплитудного значения выходного переменного напряжения, то становится невозможным плавное регулирование выходного напряжения, что существенно ограничивает область применимости такого способа инвертирования. Возможность устранения этого недостатка за счет управления хордами круговой обмотки, а не ее диагоналями, приводит к появлению несимметричности магнитного потока разного рода, а также к неэффективному использованию витков круговой обмотки, к значительному ухудшению качества выходного напряжения.
Трансформаторы с вращающимся магнитным полем могут иметь различные комбинации первичных и вторичных обмоток. Например, ОАО "Электросила" использовала в своих серийных решениях трансформатор с вращающимся магнитным полем с 6-фазной вторичной обмоткой, для использования в схеме 12-пульсного выпрямителя. При этом фазы вторичной обмотки соединяются в две 3-фазные звезды, имеющие сдвиг на 30 градусов между собой, и подключенные к двум выпрямительным мостам. Также возможно использование трансформаторов с вращающимся магнитным полем с двумя и более круговыми обмотками. Такой вариант может быть использован для увеличения качества выходного постоянного напряжения выпрямителя на его базе.
В случае инвертирования напряжения на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем, имеющим несколько круговых обмоток, возможны следующие варианты:
1. Коммутирование отводов всех круговых обмоток происходит одновременно и синхронно, так что диагонали всех обмоток совпадают; в этом случае формируется магнитное поле, определяемое суммарным магнитным потоком круговых обмоток;
2. Коммутация отводов круговых обмоток происходит одновременно, но не синхронно, так что диагонали обмоток не совпадают, а формируемое магнитное поле имеет меньший суммарный магнитный поток, зависящий от сдвига диагоналей круговых обмоток относительно друг друга.
В последнем случае, встречное включение диагоналей обмоток эквивалентно режиму короткого замыкания, и является недопустимым. Согласное включение диагоналей обмоток индуцирует во вторичной многофазной обмотке переменное напряжение, имеющее максимально возможную амплитуду. Между этими двумя крайними вариантами имеется ряд промежуточных ступеней выходного напряжения, число которых зависит от числа отводов круговых обмоток.
Возможен третий вариант, положенный в основу заявляемого способа инвертирования и позволяющий устранить указанные выше принципиальные недостатки прототипа. В его основу положено следующее: при коммутировании отводов первичных круговых обмоток (двух или более) трансформатора с вращающимся полем вводится временная задержка в алгоритм управления диагональными отводами круговых обмоток. При этом формируется суммарное магнитное поле, которое является производным от магнитного поля круговых обмоток, а также временной задержки между ними, что и лежит в основе заявляемого способа инвертирования напряжения.
Последовательность работы полупроводниковых ключей для случая с 4 отводами и двумя круговыми обмотками приведена на фигуре 5. Здесь очевидно, что коммутация одной круговой обмотки идет на опережение, а другой - отстает на заданное значение задержки. Круговые обмотки можно разделить на "опережающую" и "отстающую". Скорость коммутации круговых обмоток определяет частоту выходного инвертированного напряжения, а временная задержка до коммутации отстающей обмотки определяет уровень выходного напряжения. Поскольку параметр временной задержки не имеет дискретности и является непрерывным - становится возможным плавное регулирование выходного напряжения. Одновременно происходит сглаживание ступенчатого характера вращения суммарного магнитного поля, принимающего квазинепрерывный характер. Это означает сглаживание формы выходного инвертированного напряжения, качество которого будет зависеть от многих факторов и определяется токами круговых обмоток, а также их индуктивностью.
Отличие предлагаемого способа инвертирования напряжения от прототипа заключается в способе регулирования уровня выходного напряжения. В заявленном способе коммутируется две или более круговых обмоток трансформатора с вращающимся магнитным полем, так что в соответствии с заложенным алгоритмом обеспечивается временной сдвиг между моментами коммутации диагональных отводов данных обмоток. Результирующее магнитное поле определяется данной задержкой, что в результате и обеспечивает плавное регулирование уровня выходного напряжения.
Заявляемый способ является новым решением, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
- предложено коммутировать отводы нескольких первичных круговых обмоток, введя временную задержку между их коммутацией;
- уровень выходного переменного многофазного напряжения плавно (без дискретности) регулируется длительностью временной задержки.
Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - появлению возможности плавного регулирования выходного переменного напряжения при одновременном улучшении электромагнитной совместимости и повышении качества выходного напряжения.
d
14
43
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена схема преобразователя на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем. Здесь 1 - трехфазная обмотка, 2 - круговая обмотка с четырьмя отводами, 3 - коммутатор на ключах К1.1÷К4.2. На фигуре 2 изображен многоугольник ЭДС круговой обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем. Здесь 1÷4 - отводы круговой обмотки, U - напряжение диагонали круговой обмотки, U÷U - ЭДС секций. На фигуре 3 изображена последовательность работы ключей полупроводникового коммутатора в инверторе на базе трансформатора с вращающимся полем при наличии одной круговой обмотки с 4 отводами. Здесь K1.1÷К4.2 - полупроводниковые ключи коммутатора. На фигуре 4 изображена форма выходного напряжения инвертора на базе трансформатора с вращающимся полем при наличии одной круговой обмотки с 4 отводами. На фигуре 5 изображена последовательность работы ключей полупроводникового коммутатора при наличии двух круговых обмоток с 4 отводами, управляемых с временной задержкой коммутации. Здесь Δt - временная задержка коммутации, K1.1÷К4.2 - полупроводниковые ключи коммутатора, Коммутатор №1 - полупроводниковый коммутатор первой круговой обмотки, Коммутатор №2 - полупроводниковый коммутатор второй круговой обмотки.