ТРЕХФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР СИНУСОИДАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в авиационно-космических системах электроснабжения, в частности - в полностью электрифицированных самолетов.
Известны трехфазные инверторы синусоидального напряжения (аналоги), содержащие входной емкостной фильтр и трехфазный мостовой коммутатор, зашунтированный обратным выпрямителем (Зиновьев Г.С. Силовая электроника: учеб. пособие для бакалавров / Г.С. Зиновьев. - 5-е изд. испр. и доп. - М: Издательство Юрайт, 2012. - 667012. - 667 с - Серия: Бакалавр. Углубленный курс., стр. 615, рис. 13.6.1 и рис. 13.6.2).
К недостаткам известных устройств (аналогов) относятся низкое качество выходных фазных напряжений, в частности- плохой спектральный состав и сложность пофазно-раздельного регулирования амплитуд напряжений.
По техническому существу наиболее близким к предлагаемому устройству является трехфазный инвертор синусоидального напряжения (прототип), содержащий три однофазных инверторных канала, состоящих каждый из предварительного однонаправленного импульсного конвертора с трансформаторным гальвано-развязывающим звеном и выходным фильтровым конденсатором и однофазного мостового электронного коммутатора с выходным индуктивно-емкостным фильтром (С.В. Аверин, Т.В. Анисимова, А.Н. Данилина, В.С. Коняхин, В.В. Крючков, Ю.Г. Следков. Моделирование процессов в трехфазном транзисторном инверторе при возникновении межфазных коротких замыканий. Практическая силовая электроника, №43, 2011 г., с. 21-25, стр. 22, рис. 1).
К недостаткам известного трехфазного инвертора синусоидального напряжения (прототипа) относятся: узкие функциональные возможности, а именно неспособность обратного преобразования энергии в направлении от выходных выводов к входным, низкое качество выходных фазных напряжений, в частности - плохой спектральный состав и качество переходных процессов, а также плохие массо-энергетические показатели из-за громоздкости выходных фазных фильтров и двухкаскадного последовательного преобразования энергии.
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение двунаправленного преобразования энергии.
Дополнительным техническим результатом являются: повышение качества выходной электроэнергии, в частности - улучшение спектрального состава выходных напряжений и качества переходных процессов, а также улучшения массо-энергетических показателей за счет однокаскадности преобразования электроэнергии.
Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в трехфазный инвертор синусоидального напряжения, содержащий разнополярные входные и фазные выходные выводы устройства, включая заземленный общий нейтрально-нулевой вывод, для его подключения к источнику питания постоянного тока и к нагрузкам переменного тока, три регулируемых импульсных конвертора с трансформаторными звеньями гальванической развязки, с входными выводами, подключенными к входным выводам устройства, и с выходными выводами, зашунтированными соответствующими фильтровыми конденсаторами а также блок управления с цепями обратных связей по входным и выходным токам и напряжениям и с импульсно-модулирующими выходными выводами, подсоединенными к управляющим выводам конверторов, ВВЕДЕН источник постоянного напряжения смещения, ВКЛЮЧЕННЫЙ своими выходными выводами последовательно-встречно между нейтрально-нулевым выводом устройства и соединенными между собой первыми выходными выводами конверторов, ВЫПОЛНЕННЫХ с возможностью двунаправленного преобразования энергии и подключенных своими вторыми выходными выводами к соответствующим фазным выходным выводам устройства, причем величина его постоянного напряжения смещения ПРЕВЫШАЕТ заданную величину амплитуды выходных фазных напряжений устройства, и БЛАГОДАРЯ тому, что его блок управления ВЫПОЛНЕН с возможностью широтно-импульсного регулирования сигналов на своих выходных выводах с отрицательными обратными связями в зависимости от отклонений сигналов в его цепях обратных связей по выходным фазным напряжениям от соответствующих эталонных трехфазных синусоидальных сигналов, а также БЛАГОДАРЯ тому, что его источник постоянного напряжения смещения ВЫПОЛНЕН в виде дополнительного импульсного конвертора, силовая схема которого аналогична вышеуказанным конверторам, и СНАБЖЕНА дополнительным блоком управления с цепью стабилизирующей обратной связи по его выходному напряжению смещения.
Экспериментальные лабораторные исследования на макете и на компьютерной модели устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность его широкого промышленного внедрения.
На Фиг. 1 представлена структура предлагаемого трехфазного инвертора синусоидального напряжения
На Фиг. 2 приведены фазово-временные диаграммы: выходного напряжения (UdА) регулируемого импульсного конвертора (6),выходного напряжения смещения (Uсм) источника (16) постоянного напряжения смещения и соответствующего фазного выходного напряжения (UфА) устройства на его выходных выводах (3-1).
Предлагаемый трехфазный инвертор синусоидального напряжения содержит: разнополярные входные и фазные выходные выводы 1, 2 и 3, 4.5 устройства, включая заземленный общий нейтрально-нулевой вывод (первый из них) для подключения источника питания постоянного тока и нагрузок переменного тока, три регулируемых импульсных конвертора 6, 7, 8 с трансформаторными звеньями гальванической развязки, с входными выводами, подключенными к входным выводам устройства и с выходными выводами, зашунтированными соответствующими фильтровыми конденсаторами 9, 10, 11, блок управления 12 с цепями 13, 14 обратных связей по входным и выходным токам и напряжениям и импульсно-модулирующими выходными выводами 15, а также источник 16 постоянного напряжения смещения, выполненного в виде дополнительного импульсного конвертора, аналогичного 6, 7, 8 с дополнительным блоком управления 17, имеющим цепь 18 стабилизирующей обратной связи по выходному напряжению указанного источника и выходные выводы 19. Выходные выводы 15 блока управления 12 подсоединены к управляющим выводам конверторов 6, 7, 8, подключенных своими соединенными между собой первыми выходными выводами через встречно включенные выходные выводы источника постоянного напряжения смещения к общему нейтрально-нулевому выводу 1 устройства, а своими вторыми выходными выводами - к соответствующим фазным выводам 3, 4, 5 устройства. Импульсные конверторы 6, 7, 8, а также источник 16 постоянного напряжения смещения выполнены с возможностью двунаправленного преобразования энергии. Величина постоянного напряжения смещения (Uсм) источника 16 превышает заданную величину амплитуды U0 выходных фазных напряжений устройства (U3-1, U4-1, U5-1).Блок управления 12 выполнен с возможностью широтно-импульсного регулирования сигналов на своих выходных выводах 15 с отрицательными обратными связями в зависимости от отклонений сигналов в его цепях 14 обратных связей по выходным напряжениям от соответствующих эталонных трехфазных синусоидальных сигналов.
Трехфазный инвертор синусоидального напряжения работает следующим образом.
К разнополярным входным выводам 1, 2 устройства подключают источник питания постоянного тока, а к фазным выходным выводам 3, 4, 5 и к общему нейтрально-нулевому выводу 1 - нагрузки переменного тока, например - трехфазный асинхронный электродвигатель с заземленной нейтралью.
На выходных выводах 15 и 19 блоков управления 12 и 17 формируются широтно-импульсно модулирующие импульсные сигналы, поступающие на управляющие выводы импульсных конверторов 6, 7, 8 и аналогичного по силовой схеме источника 16 постоянного напряжения смещения.
На фиг. 2 представлены фазово-временные диаграммы однополярного выходного напряжения (UdA) регулируемого импульсного конвертора 6, выходного напряжения смещения (Uсм) источника 16 постоянного напряжения смещения и соответствующего фазного выходного напряжения (UфА) устройства на его выходных выводах 3-1. Напряжение UфА образуется в результате вычитания встречно-направленных напряжений UdA и Uсм благодаря последовательному соединению выходов конвертора 6 и источника 16. Его синусоидальная форма и временная фаза соответствуют заданному эталонному напряжению UфА.эт. и корректируются по цепи 14 обратной связи блока управления 12. При этом благодаря выполнению условия: Uсм>Uo, где Uo - заданная амплитуда фазных выходных напряжений устройства, выходное напряжение UdA конвертора 6 является однополярным т.е. реализуемым с помощью известных схем регулируемых импульсных конверторов с трансформаторным звеном гальванической развязки и с двунаправленным преобразованием энергии (обратимых трансформаторных конверторов, например, составленных из двух встречно-параллельных однонаправленных конверторов, примененных в прототипе, или других (см., например, Резников С.Б., Бочаров В.В., Кириллов В.Ю., Постников В.А. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость транспортного электрооборудования с высоковольтными цепями питания. - М: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010. - 512 с, стр. 66, рис. 1.9.2.6 и стр. 480, рис. П.2.12).
Таким образом, в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом обеспечиваются основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение двунаправленного (прямого и обратного) преобразования энергии, а также дополнительный технический результат: повышение качества выходной электроэнергии, в частности - улучшение спектрального состава выходных напряжений и качества переходных процессов, а также улучшение массо-энергетических показателей за счет однокаскадности преобразования электроэнергии.