ТРЕХФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании преобразователей постоянного или переменного напряжения в регулируемое по частоте и амплитуде трехфазное переменное напряжение, например, для питания электродвигателей.
Известен трехфазный инвертор напряжения, содержащий один общий активный делитель напряжения, состоящий из последовательно между собой соединенных конденсаторов и подключенный входными выводами к плюсовому и минусовому зажимам питания. Устройство содержит также трехфазный ступенчатый коммутатор, состоящий из трех пар последовательно-согласно между собой соединенных диодов, каждый из которых зашунтирован соответствующим протвонаправленным двухоперационным управляемым ключом-транзистором. Крайние катодный и анодный выводы каждой пары диодов коммутатора подключены к крайним выходным выводам активного делителя напряжения, общая точка каждой пары диодов коммутатора подключена к соответствующему фазному выходному зажиму. Кроме того устройство содержит схему управления ключами, выполненную с возможностью импульсной модуляции сигналов управления ключами активного делителя напряжения с функцией самовыравнивания напряжений на его конденсаторах, а также с возможностью программной модуляции сигналов управления ключами ступенчатого коммутатора с функцией формирования периодических и равномерно взаимно-сдвинутых по временной фазе кривых изменения потенциалов фазных выходных зажимов. (Резников С.Б. Самолетная система электроснабжения с распределенным преобразованием «переменная скорость - стабильная частота», ж. Авиакосмическое приборостроение, №4, 2004 г., стр.61, рис 8).
Недостатком известного трехфазного инвертора напряжения являются большие тепловые потери в управляемых ключах ступенчатого коммутатора и в
магнитопроводе индуктивной нагрузки, а также большое помехоизлучение из-за высокой частоты коммутации и удвоенного напряжения в запертом состоянии указанных ключей.
Известен трехфазный инвертор напряжения, содержащий один общий активный делитель напряжения, состоящий из последовательно между собой соединенных конденсаторов и подключенный входными выводами к плюсовому и минусовому зажимам питания. Каждая пара его смежных конденсаторов своими крайними выводами включена в первую диагональ соответствующей мостовой ячейки, образованной диодным мостом, каждый диод одной диагонально-расположенной пары которого зашунтирован соответствующим противонаправленным управляемым ключом, а своей общей точкой подключена ко второй диагонали мостовой ячейки через пару соответствующих дросселей. Устройство содержит также трехфазный ступенчатый коммутатор, состоящий из трех пар последовательно-согласно между собой соединенных диодов, каждый из которых зашунтирован соответствующим противонаправленным управляемым двухоперационным ключом-транзистором. Крайние катодный и анодный выводы каждой пары диодов коммутатора подключены к крайним выходным выводам активного делителя напряжения. Общая точка каждой пары диодов коммутатора подключена непосредственно к соответствующему фазному выходному зажиму, а через двунаправленные управляемые ключи - к промежуточным выходным выводам активного делителя напряжения. Кроме того устройство содержит схему управления ключами, выполненную с возможностью импульсной модуляции сигналов управления ключами активного делителя напряжения с функцией самовыравнивания напряжений на его конденсаторах с помощью цепей обратных связей, а также с возможностью программной модуляции сигналов управления ключами ступенчатого коммутатора с функцией формирования периодических и равномерно взаимно-сдвинутых по временной фазе кривых изменения потенциалов фазных выходных зажимов в соответствии с эталонными кривыми (С.Резников, С.Коняхин, А.Соколов. Высоковольтно-составные транзисторные преобразователи с обеспечением электроэнергетической и электромагнитной совместимости, ж. Компоненты и технологии, №12, 2006 г., стр.100, рис.8 и стр.99 - последние два абзаца).
Недостатком известного трехфазного инвертора напряжения является существенная несинусоидальность (ступенчатость) формы выходных напряжений и невозможность использования однооперационных тиристоров вместо транзисторов в качестве однонаправленных управляемых ключей трехфазного ступенчатого коммутатора (для повышения уровня допустимых выходных напряжений и запаса по перенапряжениям для ключей).
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является последний из перечисленных известных трехфазных инверторов напряжения.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение синусоидальной формы выходных напряжений.
Техническим результатом предложения является снижение тепловых потерь в цепях нагрузки от высших гармоник напряжения, а следовательно повышение КПД электродвигательных, трансформаторных и подобных потребителей с магнитопроводящими сердечниками, а также повышение срока службы изоляции их обмоток и подводящих проводов.
Указанный результат обеспечивается благодаря тому, что в трехфазный инвертор напряжения, содержащий первый активный делитель напряжения, состоящий из последовательно между собой соединенных конденсаторов и подключенный входными выводами к плюсовому и минусовому зажимам питания, причем каждая пара его смежных конденсаторов своими крайними выводами включена в первую диагональ соответствующей мостовой ячейки, образованной диодным мостом, каждый диод одной диагонально-расположенной пары которого зашунтирован соответствующим противонаправленным управляемым ключом, а своей общей точкой подключена ко второй диагонали мостовой ячейки через пару соответствующих дросселей, а также трехфазный ступенчатый коммутатор, состоящий из трех пар последовательно-согласно между собой соединенных диодов, каждый из которых зашунтирован соответствующим противонаправленным управляемым ключом, крайние катодный и анодный выводы первой пары диодов коммутатора подключены к крайним выходным выводам первого активного делителя напряжения, общая точка каждой пары диодов коммутатора подключена непосредственно к соответствующему фазному зажиму, а общая точка первой пары - через двунаправленные управляемые ключи-
к промежуточным выходным выводам первого делителя напряжения, и кроме того - схему управления ключами, выполненную с возможностью импульсной модуляции сигналов управления ключами первого активного делителя напряжения с функцией самовыравнивания напряжений на его конденсаторах с помощью цепей обратных связей, а также с возможностью программной модуляции сигналов управления ключами ступенчатого коммутатора с функцией формирования периодических и равномерно взаимно-сдвинутых по временной фазе кривых изменения потенциалов фазных выходных зажимов в соответствии с эталонными кривыми, введены второй и третий активные делители напряжения, аналогичные первому по составу и схеме подключения к зажимам питания, к соответствующим мостовым ячейкам и к соответствующим двум парам диодов трехфазного ступенчатого коммутатора; причем схема управления ключами выполнена с возможностью импульсной модуляции сигналов управления ключами второго и третьего активных делителей напряжения по аналогии с указанной выше, а также с функцией поочередного плавного кратковременного обнуления напряжений на конденсаторах всех активных делителей перед каждой коммутацией ключей ступенчатого коммутатора, а также благодаря тому, что при наличии в каждом активном делителе среднего по потенциалу выходного вывода этот вывод подключен к вспомогательному нулевому выходному зажиму.
По существу технический результат обеспечивается благодаря возможности с помощью трех раздельных активных делителей напряжения перед каждым переключением ключей ступенчатого коммутатора производить плавное кратковременное обнуление и плавное восстановление напряжения соответствующего конденсатора в составе соответствующего делителя напряжения для растягивания по времени фронтов и спадов при изменениях потенциалов.
Дополнительным техническим результатам предложения является возможность использования однооперационных тиристоров вместо транзисторов в качестве однонаправленных управляемых ключей трехфазного ступенчатого коммутатора для повышения уровня допустимых выходных напряжений и запаса по перенапряжениям для ключей.
Лабораторные испытания подтверждают возможность широкого промышленного использования предложенного трехфазного инвертора напряжения.
На фиг.1 приведена принципиальная схема силовой части предлагаемого трехфазного инвертора напряжения.
На фиг.2 сплошной линией показана временная диаграмма потенциала одного из фазных выходных зажимов относительно среднего выходного вывода соответствующего активного делителя напряжения, а пунктирной линией - ступенчатая диаграмма того же потенциала для устройства прототипа.
Трехфазный инвертор напряжения содержит три одинаковых активных делителя напряжения 1, каждый из которых состоит из последовательно между собой соединенных конденсаторов 2 и подключенный входными выводами к плюсовому 3 и минусовому 4 зажимам питания; причем каждая пара его смежных конденсаторов своими крайними выводами включена в первую диагональ соответсвующей мостовой ячейки, образованной диодным мостом 5, каждый диод одной диагонально-расположенной пары которого зашунтирован соответствующим противонаправленным управляемым ключом 6 (транзистором), а своей общей точкой подключена ко второй диагонали мостовой ячейки через пару соответствующих дросселей 7. В каждой мостовой ячейке дроссели могут быть выполнены с общим магнитопроводом и соединены между собой одноименными выводами. Трехфазный ступенчатый коммутатор 8 состоит из трех пар последовательно-согласно между собой соединенных диодов 9, каждый из которых зашунтирован соответствующим противонаправленным управляемым ключом 10. Крайние катодный и анодный выводы каждой пары диодов коммутатора подключены к крайним выходным выводам соответствующего активного делителя напряжения, общая точка каждой пары диодов коммутатора подключена непосредственно к соответствующему фазному выходному зажиму 11, а общая точка той же пары - через двунаправленные управляемые ключи 12, 13, 14 - к промежуточным выходным выводам соответствующего активного делителя напряжения. При наличии в каждом активном делителе среднего по потенциалу выходного вывода этот вывод подключен к вспомогательному нулевому выходному зажиму 15 (подключение показано на фиг.1 пунктиром). Схема
управления ключами (на фиг.1 не показана) выполнена с возможностью импульсной модуляции сигналов управления ключами активных делителей напряжения с функцией самовыравнивания напряжений на их конденсаторах с помощью цепей обратных связей, а также с возможностью программной модуляции сигналов управления ключами ступенчатого коммутатора с функцией формирования периодических и равномерно взаимно-сдвинутых по временной фазе (на 120 эл. градусов) кривых изменения потенциалов фазных выходных зажимов в соответствии с эталонными кривыми, а также с функцией поочередного плавного кратковременного обнуления напряжений на конденсаторах делителей перед каждой коммутацией ключей ступенчатого коммутатора 10, 12, 13, 14 (для растягивания по времени фронтов и спадов при изменениях потенциалов).
Трехфазный инвертор напряжения работает следующим образом. Процесс передачи энергии от одного из каждой пары смежных конденсаторов 2 в другой с помощью мостовой ячейки происходит по принципу инвертирующего широтно-импульсного модулирования. При отпирании ключа 6 (например, верхнего на фиг.1) происходит накопление в дросселе 7 (правом верхнем на фиг.1) электромагнитной энергии, отбираемой от первого конденсатора (верхнего). После запирания указанного ключа часть накопленной в дросселе энергии (или вся эта энергия) передается смежному конденсатору по цепи диода 5 (правого нижнего в данной ячейке). Если пара дросселей 7 данной ячейки имеют общий магнитопровод, то эта же энергия передается также через еще один диод этой ячейки (левый нижний). Аналогичным образом передается энергия в обратном направлении - от второго конденсатора пары в первый (с помощью модуляции левым нижним ключом 5 той же ячейки).
Благодаря тому, что любая пара смежных конденсаторов 2 входит в состав соответствующей мостовой ячейки, реализуется возможность плавного (высокочастотного) транспортирования энергии (заряда) в любом направлении каждого активного делителя напряжения 1. Цепи обратных связей по напряжениям на конденсаторах 2 корректируют степень модуляции (коэффициента заполнения импульса) управляющих сигналов на выходах каналов управления ключами 6 с целью автоматического самовыравнивания напряжений на конденсаторах 2 каждого активного делителя напряжения 1, а также поочередного плавного
кратковременного обнуления напряжений на его конденсаторах перед каждым переключением соответствующего ключа 10, 12, 13, 14 коммутатора 8.
Пусть в исходном состоянии к моменту времени t=0 ключ 12 замкнут, а ключи 10, 13, 14 разомкнуты. При этом нижний из пары конденсаторов 2 в верхней мостовой ячейке полностью разряжен, а остальные равномерно заряжены. Тогда на соответствующем фазном выходном зажиме 11 потенциал (например, UA на фиг.2) относительно среднего выходного вывода активного делителя напряжения 1 равен нулю. С момента времени t=0 нижний из указанной пары конденсаторов 2 плавно и относительно быстро заряжается до напряжения U1 (см. фиг.2), а верхний разряжается до нуля с помощью вышеописанной широтно-импульсной модуляции. При этом общее напряжение на зажимах питания 3, 4 продолжает равномерно распределяться по остальным конденсаторам данного делителя. Это приводит к плавному повышению потенциала UA до величины U1 к моменту t'1 (на фиг.2 - сплошная линия). Одновременно с этим потенциал крайнего верхнего выходного вывода активного делителя 1 также повышается до той же величины U1. В момент t'1 ключ 12 выключается, а ключ 10 (верхний) включается. При этом потенциал UA того же выходного зажима 11 остается прежним, т.е. равным U1. С момента t'1 верхний конденсатор вышеуказанной пары плавно и относительно быстро заряжается до напряжения U2-U1 к моменту t'2. При этом потенциал UA растет до величины U2. С момента t'2 верхний конденсатор начинает разряжаться до нуля к моменту t'3, а потенциал UA падает до величины U1. В момент t'3 ключ 10 (верхний) размыкается, а 12 замыкается, не изменяя потенциала UA=U1. С момента t'3 до момента t=T/2, т.е. до полупериода выходного напряжения, нижний конденсатор разряжается до нуля, а вместе с ним потенциал UA падает до нуля. Далее все процессы повторяются, но с участием средней мостовой ячейки и ключей 10 (нижнего), 13, 14 что приводит к образованию второй (отрицательной) полуволны синусоидального потенциала UA(t) на том же фазном выходном зажиме 11. После этого вышеописанные процессы периодически повторяются.