Трехфазный магнито-транзисторный инвертор напряжения с третьей гармоникой тока

УДК 621.314.5

В. Г. Макаров

ТРЕХФАЗНЫЙ МАГНИТО-ТРАНЗИСТОРНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ C ТРЕТЬЕЙ ГАРМОНИКОЙ ТОКА

Ключевые слова: трехфазный инвертор, автогенераторная, схема управления, трехфазный стержневой трансформатор.

Проводится анализ принципа действия трехфазного магнито-транзисторного инвертора. Предложен способ формирования управляющих напряжений транзисторов с помощью третьей гармоники напряжения.

Keywords: three-phase inverter, autogenerating, the control scheme, three-phase core transformer.

Action principle is analysed of the three-phase magnetic transistor inverter. The method offormation of control voltages of transistors by means of the third harmonica of voltage is offered.

Введение

Транзисторные автономные инверторы с автогенераторными схемами управления получили название магнито-транзисторных инверторов [1, 2]. Транзисторы таких инверторов работают в экономичном ключевом режиме, а качестве нелинейного релейного элемента используется трансформатор с прямоугольной петлей гистерезиса, который задает частоту переключения транзисторов, формирует управляющие импульсы и выполняет функцию синхронизации фаз.

В [2] отмечены преимущества магнитно-транзисторных инверторов напряжения (МТИН) и показано, что с точки зрения общепромышленного применения наибольший интерес представляют трехфазные статические преобразователи электрической энергии. Однако при построении подобных МТИН особенно сложно решаются вопросы формирования ступенчатых форм и синхронизации фаз выходных напряжений, а также формирования управляющих напряжений транзисторов.

В [2, 3] показано, что формирование двухступенчатой формы фазного напряжения в трехфазном МТИН можно осуществить, применив несколько обмоток в каждой фазе. Предложенный способ формирования двухступенчатой формы фазного напряжения использовался на кафедре электропривода и электротехники Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ) при разработке двух- и трехфазных МТИН, в которых синхронизация фаз осуществляется с помощью обмоток переключающих трансформаторов. При этом схема соединения обмоток и определенное соотношение количества витков позволяет получить устойчивую синхронизацию фаз и необходимый фазовый сдвиг.

В [2] рассматриваются устройство и принцип действия разработанного на кафедре электропривода и электротехники КНИТУ трехфазного самовозбуждающегося инвертора, магнитная система которого выполнена на базе трехфазного группового трансформатора.

Однако МТИН на трехфазном групповом трансформаторе имеет следующие недостатки:

1) применение в автогенераторной схеме управления МТИН трехфазного группового трансформатора, имеющего повышенные массу и габари-

ты, приводит к завышенному расходу активных материалов;

2) синхронизация фаз выходных напряжений осуществляется на третьей гармонике магнитного потока вследствие чего в кривых фазных напряжений МТИН содержится третья гармоника.

Вопросы выбора трансформатора в трехфазном МТИН рассматривались в [4], где показано, что предпочтение следует отдавать трехстержнево-му трансформатору. При этом в [4] отмечено, что применение трехстержневого трансформатора потребует разработки схемного решения автогенераторной схемы управления, отличающегося от предложенного в [2].

Одной из разработок кафедры электропривода и электротехники КНИТУ является трехфазный самовозбуждающийся инвертор, магнитная система которого выполнена на базе трехфазного стержневого трансформатора [5]. Показано, что одним из недостатков схемы МТИН на трехстержне-вом трансформаторе является двухступенчатая форма управляющих напряжений транзисторов, подобная форме фазных напряжений. Известно, что для экономичной работы транзисторов в режиме переключения необходимо формировать управляющие напряжения прямоугольной формы.

Теоретические положения

На кафедре электропривода и электротехники КНИТУ разработан трехфазный самовозбуждающийся инвертор, магнитная система которого выполнена на базе трехфазного стержневого трансформатора, а силовая часть собрана на шести комплиментарных транзисторах УТ1 — УТб, соединенных по мостовой схеме (рис. 1).

Управление транзисторами - 180-градусное. На каждом стержне трансформатора Т1 размещаются первичная обмотка I, синхронизирующая обмотка II и две вторичных обмотки III - VI. Коэффициент трансформации п между первичными и синхронизирующими обмотками равен единице, что обеспечивает взаимный сдвиг фаз на 120°. Транзисторы шунтируются обратными диодами VD1 — VD6. Трехфазная нагрузка подключается к точкам А, В, С.

Рис. 1 - Принципиальная схема трехфазного МТИН с вольтодобавочным трансформатором

Напряжения на первичных и синхронизирующих обмотках формируются в соответствии с изменением магнитных потоков в стержнях С1, С2, С3 трансформатора Т1, временные диаграммы которых приведены на рис. 2.

tn b t, tr

to t.

tr

фТ1

Ф=

шит

фС1 фС2 фСЗ

ШОООГ

Рис. 2 - Временные диаграммы магнитных потоков стержней С1 - С3 трансформатора Т1

Формирование фазного напряжения двухступенчатой формы осуществляется путем суммирования напряжений первичной обмотки I и синхронизирующей обмотки II, расположенных на разных стержнях. Временные диаграммы, поясняющие формирование фазного напряжения ид , показаны на рис. 3.

Видно, что напряжения на обмотках I и II имеют одну ступень длительностью 120°, что обеспечивается одинаковой скоростью движения рабочих точек стержней С1 - С3 трансформатора Т1 по кривой намагничивания (рис. 2 а) на отдельных интервалах времени (рис. 2 б) и паузу длительностью 60° на нулевом уровне, возникающую вследствие насыщения соответствующего стержня трансформатора Т1 (рис. 2 б). Значение магнитного потока, соответствующее насыщению одного из стержней, на рис. 2 обозначено Ф5 .

Рис. 3 - Формирование кривой фазного напряжения ид

В соответствии с рис. 3 фазные напряжения будут иметь двухступенчатую форму с амплитудой

1 2

первой ступени , второй ступени - у^п и не

будут содержать в своем составе третьих гармоник.

Линейные напряжения будут иметь амплитуду, равную напряжению питания ип и паузу 60°

на нулевом уровне.

Для формирования прямоугольных управляющих напряжений транзисторов в схему инвертора введен маломощный вольтодобавочный трансформатор Т2 (рис. 1), первичная обмотка которого подключается между точками О и N. Трансформатор Т2 имеет также три вторичных обмотки II - IV. Средняя точка N источника питания образована с помощью конденсаторов С1 и С2 одинаковой емкости. Установлено, что между точками О и N возникает напряжение ио . Это напряжение имеет прямоугольную форму, амплитуду — ип и изменяется с

6

тройной частотой по отношению к частоте фазных и линейных напряжений инвертора. При этом по цепи первичной обмотки трансформатора Т2 замыкается третья гармоника тока.

Формирование управляющих напряжений транзисторов иБЭ прямоугольной формы с помощью вторичных обмоток II - IV вольтодобавочного трансформатора (ВТ) поясняет рис. 4.

Управляющее напряжение транзистора VT1 формируется в соответствии с формулой

uVT1 _ uC1 uC2 + uT2 иБЭ _ uIII "uIV + uII

где u,7i' - напряжение на обмотке III стержня С1

Я

III

,C2

трансформатора Т1; u^ - напряжение на обмотке

IV стержня С2 трансформатора Т1, и ние на обмотке II трансформатора Т2.

T2

напряже-

Рис. 4 - Формирование напряжения Ц1бэ транзистора VII в МТИН с вольтодобавочным трансформатором

Таким образом, введение третьей гармоники напряжения в цепи управления транзисторов позволяет формировать в МТИН на трехстержневом трансформаторе управляющие напряжения прямоугольной формы. При этом обеспечивается экономичная работа транзисторов в режиме переключения.

Обсуждение результатов

Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность предлагаемой схемы МТИН на трехстержневом трансформаторе, корректность разработанной методики проектирования и справедливость исходных положений. Следует отметить, что применение вольтодобавочного трансформатора не оказывает существенного влияния на массу, габариты и энергетические показатели МТИН.

Выводы

1. Использование в автогенераторной схеме управления МТИН трехфазного стержневого трансформатора позволяет избавиться от третьих гармоник в кривых магнитных потоков и фазных напряжений инвертора.

2. Применение трехфазного стержневого трансформатора в совокупности с вольтодобавоч-ным трансформатором вместо группового позволяет экономить 27 % стали и 11 % меди, обеспечив тем самым снижение массы, габаритов и стоимости инвертора.

3. Управляющие напряжения транзисторов МТИН с вольтодобавочным трансформатором имеют прямоугольную форму, обеспечивающую экономичную работу транзисторов в режиме переключения.

Литература

3

Н. Ф. Ильинский, В. В. Михайлов, Транзисторно-магнитные преобразователи непрерывного сигнала в последовательность импульсов. Энергия, Москва, 1966. 168 с.

В. Г. Макаров, Г. Ф. Кропачев, Трехфазный магнито-транзисторный инвертор напряжения на групповом трансформаторе, Вестник Казанского технологического университета, 14, 16, 91 - 96 (2011).

В. С. Моин, В. С. Лаптев, Стабилизированные транзисторные преобразователи. Энергия, Москва, 1972. 512 с.

4. В. Г. Макаров, Выбор трансформатора в трехфазном магнито-транзисторном инверторе, Вестник Казанского технологического университета. 14. 17, 50 - 53 (2011).

5. В. Г. Макаров, Трехфазный магнито-транзисторный инвертор напряжения на трехстержневом трансформаторе, Вестник Казанского технологического университета. 14. 20, 155 - 159 (2011).

© В. Г. Макаров - д-р техн. наук, доц., зав. кафедрой электропривода и электротехники КНИТУ, electroprivod@list.ru.