Трехфазный магнито-транзисторный инвертор напряжения на трехстержневом трансформаторе

УДК 621.314.5

В. Г. Макаров

ТРЕХФАЗНЫЙ МАГНИТО-ТРАНЗИСТОРНЫЙ ИНВЕРТОР

НАПРЯЖЕНИЯ НА ТРЕХСТЕРЖНЕВОМ ТРАНСФОРМАТОРЕ

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

Проводится анализ принципа действия трехфазного магнито-транзисторного инвертора. Показано, что применение трехстержневого трансформатора вместо группового позволяет избавиться от третьих гармоник магнитных потоков и фазных напряжений инвертора.

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

Action principle is analysed of the three-phase magnetic transistor inverter. It is shown that application of the three-phase core transformer instead of the group allows to get rid of the third harmonics of magnetic flux and phase voltage of the inverter.

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 габариты, 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 трехстержневому трансформатору. При этом в [4]

отмечено, что применение трехстержневого трансформатора потребует разработки схемного решения автогенераторной схемы управления, отличающегося от предложенного в [2].

Теоретические положения

Одной из разработок кафедры электропривода и электротехники КНИТУ является 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).

Рис. 1 - Принципиальная схема трехфазного МТИН на трехстержневом трансформаторе

Управление транзисторами - 180-градусное. На каждом стержне трансформатора Т1 размещаются первичная обмотка I, синхронизирующая обмотка II и четыре 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 У01 - УОб. Трехфазная нагрузка подключается к точкам А, В, С.

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.

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 иа, показаны на рис. 3.

Рис. 3 - Формирование кривой фазного напряжения иа

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, что обеспечивается насыщением соответствующего стержня трансформатора Т1 (рис. 2 б). Значение магнитного потока, соответствующее насыщению одного из стержней, на рис. 2 обозначено Ф5.

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

1 2

плитудой первой ступени , второй ступени - зип и не будут содержать в своем составе

третьих гармоник.

Линейные напряжения будут иметь амплитуду, равную напряжению питания ЫП и паузу 60° на нулевом уровне.

Управляющие напряжения база-эмиттер иБЭ транзисторов УТ1 - УТ6 формируются вторичными обмотками III, IV. Коэффициент трансформации между вторичными обмотками равен единице.

ул

С учетом схемы соединения обмоток управляющее напряжение транзистора УТ1 иду формируется в соответствии с формулой

,УТ1

,01

С2

иАУ - и111 и!У

Сі 02

где и|!! - напряжение на обмотке III стержня С1 трансформатора Т1; Цу - напряжение на обмотке IV стержня С2 трансформатора Т1.

Форма управляющих напряжений транзисторов подобна форме фазных напряжений.

Результаты экспериментальных исследований

На основании проведенного анализа электромагнитных процессов разработана методика проектирования трехфазного МТИН на трехстержневом трансформаторе. С использованием данной методики спроектированы макетные образцы МТИН, для изготовления которых использовались трансформаторы марки ТЛ, и проведены экспериментальные исследования.

Результаты экспериментальных исследований в виде осциллограмм фазного (рис. 4 а) и линейного (рис. 4 б) напряжений МТИН на трехстержневом трансформаторе.

ш шшшшшшшшяи

шшт нн

ІЕЯМКШЯЯШ

аав

рріжіиирі

а б

Рис. 4 - Осциллограммы напряжений МТИН на трехстержневом трансформаторе

Отличительной особенностью рассматриваемого МТИН по сравнению с МТИН на групповом трансформаторе [2] является совпадение форм фазных напряжений инвертора и нагрузки.

Анализ кривых на рис. 4 подтверждает работоспособность схемы МТИН на трехстержневом трансформаторе и справедливость исходных положений.

Применение трехстержневого трансформатора вместо группового в автогенераторной схеме управления трехфазного МТИН позволяет экономить 30 % стали и 12 % меди, обеспечив тем самым снижение массы, габаритов и стоимости инвертора.

В [2] показано, что одной из областей применения МТИН является электропривод малой мощности на базе асинхронных двигателей. В ходе экспериментальных исследований в качестве нагрузки МТИН использовался трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Исследования показали, что при прямом пуске асинхронного двигателя отсутствует синхронизация фаз выходных напряжений и наблюдается произвольная последовательность чередования фаз инвертора. Кроме того, регулирование напряжения питания Ц МТИН на трехстержневом трансформаторе позволяет обеспечить регулирование частоты вращения двигателя в диапазоне 1:2,8, в то время как согласно данным [2] МТИН на групповом трансформаторе позволяет обеспечить диапазон регулирование частоты вращения двигателя в диапазоне 1:3.

Обсуждение результатов

Таким образом, экспериментальные исследования подтвердили работоспособность предлагаемой схемы МТИН на трехстержневом трансформаторе, корректность разработанной методики проектирования и справедливость исходных положений.

Однако из рис. 4 видно, что длительность интервалов постоянства структуры силовой цепи МТИН не всегда одинакова, вследствие чего длительность ступеней фазных напряжений и пауз линейных напряжений на нулевом уровне отличаются от 60°. Для выявления причин этих отклонений необходимо провести дополнительные теоретические и экспериментальные исследования.

Одним из недостатков схемы МТИН на трехстержневом трансформаторе является двухступенчатая форма управляющих напряжений транзисторов, подобная форме фазных напряжений. Для экономичной работы транзисторов в режиме переключения необходимо формировать управляющие напряжения прямоугольной формы.

Выводы

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

2. Применение трехфазного стержневого трансформатора вместо группового позволяет экономить 30 % стали и 12 % меди, обеспечив тем самым снижение массы, габаритов и стоимости инвертора.

3. Управляющие напряжения транзисторов МТИН на трехстержневом трансформаторе имеют двухступенчатую форму, подобную форме фазных напряжений. В связи с этим для обеспечения экономичной работы транзисторов в режиме переключения необходимо разработать меры по формированию управляющих напряжений прямоугольной формы.

4. Целесообразно разработать меры, обеспечивающие устойчивую синхронизацию фаз выходных напряжений и заданную последовательность чередования фаз инвертора.

Литература

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

2. Макаров, В. Г. Трехфазный магнито-транзисторный инвертор напряжения на групповом трансформаторе / В. Г. Макаров, Г. Ф. Кропачев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, № 16. - С. 91 -96.

3. Моин, В. С. Стабилизированные транзисторные преобразователи / В. С. Моин, В. С. Лаптев. - М.: Энергия, 1972. - 512 с.

4. Макаров, В. Г. Выбор трансформатора в трехфазном магнито-транзисторном инверторе / В. Г. Макаров // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, № 17. - С. 50 - 53.

© В. Г. Макаров - канд. техн. наук, доц., зав. каф. электропривода и электротехники КГТУ, electroprivod@list.ru.