Трехфазный магнито-транзисторный инвертор напряжения на групповом трансформаторе

ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.314.5

В. Г. Макаров, Г. Ф. Кропачев ТРЕХФАЗНЫЙ МАГНИТО-ТРАНЗИСТОРНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА ГРУППОВОМ ТРАНСФОРМАТОРЕ

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

Проводится анализ принципа действия трехфазного магнито-транзисторного инвертора. Установлено, что синхронизация фаз в этом инверторе осуществляется на третьей гармонике магнитного потока. Показаны области применения инвертора.

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

Action principle is analysed of the three-phase magnet-transistor inverter. It is shown that synchronization of phases in this inverter is carried out on the third harmonic of a magnetic flux. It is defined of application fields of the inverter.

Введение

Транзисторные автономные инверторы с автогенераторными схемами управления получили название магнито-транзисторных инверторов [1]. 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.

Следует отметить, что с точки зрения энергопотребления магнитно-транзисторные инверторы напряжения (МТИН) являются довольно экономичными.

Экономичность МТИН обеспечивается следующими факторами:

1) в основу построения автогенераторных схем управления МТИН положен принцип самовозбуждения;

2) на самовозбуждение автогенератора потребляется, в основном, реактивный ток;

3) трансформатор, как электротехническое устройство, обладает высоким КПД;

4) транзисторы работают в экономичном ключевом режиме.

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.

Различные способы формирования ступенчатых форм выходных напряжений инверторов рассмотрены в [2 - 4]. В [4] показано, что формирование двухступенчатой формы фазного напряжения в трехфазном МТИН можно осуществить, применив несколько обмоток в каждой фазе. Сущность способа заключается в суммировании нескольких сдвинутых по фазе и разных по амплитуде напряжений. Разность двух фазных напряжений, имеющих двухступенчатую форму, дает прямоугольную форму линейного напряжения с паузой на нулевом уровне. Форма выходных напряжений МТИН практически не будет зависеть от нагрузки и частоты переменного тока. При этом в МТИН имеет место одинаковая загрузка всех транзисторов и достаточно высокое использование трансформаторов.

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.

Теоретические положения

Одной из разработок кафедры электропривода и электротехники КНИТУ является трехфазный самовозбуждающийся инвертор [5], магнитная система которого выполнена на базе трехфазного группового трансформатора, а силовая часть собрана на шести комплиментарных транзисторах УТ1 - УТб, соединенных по мостовой схеме (рис. 1).

Рис. 1 - Принципиальная схема трехфазного МТИН на групповом трансформаторе

Управление транзисторами - 180-градусное. Групповой трансформатор выполняется на трех кольцевых ленточных магнитопроводах с прямоугольной петлей гистерезиса. На каждом трансформаторе размещаются первичная обмотка I, синхронизирующая обмотка II и три вторичные обмотки III - V. Коэффициент трансформации п между первичной и синхронизирующей обмотками равен трем, это обеспечивает взаимный сдвиг фаз на 120° . Транзисторы шунтируются обратными диодами "01 - "06. Трехфазная нагрузка подключается к точкам А, В, С.

Формирование фазного напряжения двухступенчатой формы осуществляется путем суммирования напряжений первичной обмотки I и синхронизирующей обмотки II, расположенных на разных сердечниках. Временные диаграммы, поясняющие формирование фазного напряжения , показаны на рис. 2. Видно, что напряжения на обмотках I и II имеют две ступени разной амплитуды длительностью 60° и паузу на нулевом уровне 60° , что обеспечивается различной скоростью движения рабочих точек трансформаторов ТІ, Т2 и Т3 по кривой

намагничивания (рис. 3 а) на отдельных интервалах времени (рис. 3 б). Линейные напряжения будут иметь амплитуду, равную напряжению питания УП и паузу 60° на нулевом уровне.

І0 ^2 Ї4 їо ^2 Ї4

Т1 и! J - 1

г

, 1 ^ ГО | г - 1 0 тз ип -1 “ — -

' 0 иа — - _ “1 1

4—

Рис. 2 - Формирование кривой фазного напряжения иа

Рис. 3 - Временные диаграммы магнитных потоков трансформаторов Т1, Т2, Т3

Управляющие напряжения база-эмиттер иБЭ транзисторов УТ1 - УТ6 формируются

вторичными обмотками III, IV, У, соединенными между собой последовательно. Коэффициент трансформации между обмотками III и IV равен трем, а коэффициент трансформации между

обмотками III и У равен пяти. Временные диаграммы, поясняющие формирование управляю-

УТ1

щего напряжения транзистора УТ1 иду , показаны на рис. 4.

Формирование управляющих напряжений прямоугольной формы позволяет обеспечить экономичную работу транзисторов в ключевом режиме.

УТ1

С учетом схемы соединения обмоток управляющее напряжение транзистора УТ1 иду

формируется в соответствии с формулой

иУТ1 _ иТ2 , иТ3 _ иТ1 иду _ иУ + и1У и111

Т2 Т3

где и у - напряжение на обмотке У трансформатора Т2; Цу - напряжение на обмотке ГУ

трансформатора Т3; иЦ,1 - напряжение на обмотке III трансформатора Т1.

Разложение кривых выходных напряжений инвертора в ряд Фурье свидетельствует о наличии третьей гармоники в фазных напряжениях. Амплитуда электродвижущей силы (ЭДС) третьей гармоники достигает 39% от амплитуды ЭДС первой гармоники. Амплитуды ЭДС первой и третьей гармоник складываются, в результате наибольшее значение фазной ЭДС по-

вышается на 35% и на 7% - ее действующее значение. Линейные напряжения не содержат третьих гармоник. Следует отметить, что за счет 180-градусного управления транзисторами фазные напряжения симметричной трехфазной нагрузки будут иметь двухступенчатую форму

1 2

с амплитудой первой ступени 3 , второй ступени - 3^1 и не будут содержать в своем со-

ставе третьих гармоник.

^ ^2 ^4 І2

-1 — і

- _ - _ і

_ 1 Г 1 1 — — — і

1 1 1 — 1 1 1 — і

Рис. 4 - Формирование напряжения иБЭ транзистора УТ1 в МТИН на групповом трансформаторе

Предложенный способ соединения первичных и синхронизирующих обмоток можно рассматривать, как соединение в звезду. Применение группового трансформатора при соединении обмоток звездой позволяет избавиться от третьей гармоники в кривых фазных токов, это приводит к появлению третьей гармоники в кривых магнитного потока. Величина третьей гармоники магнитного потока достигает 13% от величины первой гармоники. В результате третья гармоника появляется в кривых фазных напряжений. Известно, что высшие гармоники, содержащиеся в кривых напряжений и токов, вызывают увеличение потерь в стали, что приводит к снижению КПД МТИН.

Однако проведенный анализ позволяет сделать следующий вывод: в трехфазном МТИН на групповом трансформаторе третья гармоника магнитного потока является синхронизирующей. Недостатком подобной синхронизации является наличие третьей гармоники в кривых фазных напряжений.

Следует отметить, что МТИН устойчивы к воздействию сильных магнитных полей, ударным механическим нагрузкам и вибрации. Такие преобразователи могут быть использованы в качестве источников питания для любой трехфазной нагрузки. Особую значимость МТИН приобретают при использовании их в установках с автономными источниками посто-

янного тока и в нестационарных объектах. В подобных установках особенно остро стоит и сложно решается проблема минимизации расхода энергоресурсов, активных материалов и снижения массо-габаритных показателей. Одной из областей применения является электропривод малой мощности на базе асинхронных двигателей [5]. Большая часть подобных электроприводов не требуют высокой точности задания скорости и широкого диапазона регулирования. В связи с этим применение преобразователей частоты, имеющих значительные функциональные возможности, в подобных электроприводах нецелесообразно, в первую очередь из экономических соображений. Очевидно, что альтернативой преобразователям частоты в подобных системах могут послужить самовозбуждающиеся МТИН.

Результаты экспериментальных исследований

На основании проведенного анализа электромагнитных процессов разработана методика проектирования трехфазного МТИН на групповом трансформаторе. С использованием данной методики спроектированы макетные образцы МТИН, проведены экспериментальные исследования.

Результаты экспериментальных исследований в виде осциллограмм напряжений МТИН приведены на рис.5, а напряжений двигателя - на рис. 6. На рис. 5 а приведена осциллограмма управляющих напряжений транзисторов одной фазы, а на рис. 5 б - осциллограмма фазного напряжения инвертора. В ходе экспериментальных исследований в качестве нагрузки МТИН использовался трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. На рис. 6 а приведена осциллограмма фазного напряжения двигателя, а на рис. 6 б - осциллограмма линейного напряжения двигателя, являющегося одновременно линейным напряжением инвертора. Анализ кривых на рис. 5, рис. 6 подтверждает работоспособность предлагаемой схемы трехфазного МТИН и справедливость исходных положений. Исследования показали, что регулирование напряжения питания Ц МТИН позволяет обеспечить регулирование частоты вращения двигателя в диапазоне 1:3.

Рис. 5 - Осциллограммы напряжений МТИН на групповом трансформаторе

Таким образом, экспериментальные исследования подтвердили работоспособность предлагаемой схемы трехфазного МТИН, корректность разработанной методики проектирования и справедливость исходных положений. При этом актуальной является разработка схемы управления МТИН, применение которой позволит исключить третьи гармоники фазных напряжений и магнитных потоков. Одним из путей совершенствования схемы МТИН является использование трехфазного стержневого трансформатора, применение которого позволит также уменьшить массу и габариты инвертора.

Рис. 6 - Осциллограммы напряжений двигателя

Выводы

1. Построение МТИН на комплиментарных транзисторах позволяет вдвое сократить количество обмоток управления, снизив тем самым расход меди.

2. Проведенный анализ принципа действия показал, что в кривых магнитных потоков группового трансформатора и фазных напряжений МТИН содержится третья гармоника. При этом третья гармоника магнитного потока является синхронизирующей. Недостатки такой синхронизации очевидны.

3. Использование в автогенераторной схеме управления МТИН трехфазного группового трансформатора, имеющего повышенные массу и габариты, приводит к завышенному расходу активных материалов.

4. Целесообразно разработать схему управления МТИН, применение которой позволит исключить третьи гармоники напряжений и магнитных потоков.

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. Моин, В. С. Стабилизированные транзисторные преобразователи / В. С. Моин. - М.: Энергоатомиз-дат, 1986. - 376 с.

3. Константинов, В. Г. Многофазный преобразователь на транзисторах / В. Г. Константинов. - М.: Энергия, 1972. - 96 с.

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

5. Макаров, В. Г. Анализ современного состояния теории и практики асинхронного электропривода / В. Г. Макаров // Вестник Казан. технол. ун-та.- 2011. - Т. 14, № 6. - С. 109 - 120.

© В. Г. Макаров - канд. техн. наук, доц., зав. каф. электропривода и электротехники КНИТУ, electroprivod@list.ru; Г. Ф. Кропачев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.