ТРЕХФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР ТОКА

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования в качестве преобразователя постоянного, в частности - выпрямленного напряжения, в трехфазное синусоидальное в системах электроснабжения перспективных самолетов с полностью электрифицированным оборудованием (так называемых «полностью электрических самолетов»), а так же других транспортных средств
Известны трехфазные инверторы тока (аналоги), содержащие входной импульсный регулятор постоянного (выпрямленного) тока, реакторное звено постоянного тока и трехфазный электронный мостовой транзисторно-диодный коммутатор с выходными фильтровыми конденсаторами (Зиновьев Г.С. Силовая электроника учеб. пособие для бакалавров / Г.С. - 5-е изд. испр. и доп. - М: Издательство Юрайт, 2012 - 667 с - Серия: Бакалавр. Углубленный курс., стр.627, рис.13.7.56).
К недостаткам известных трехфазных инверторов тока (аналогов) относятся неработоспособность при питании от источника постоянного тока, плохое качество выходной электроэнергии, в частности - существенная не синусоидальность формы выходных токов и напряжений, невозможность общего заземления входных и выходных цепей, снижающая электробезопасность при эксплуатации.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является трехфазный инвертор тока (прототип), содержащий входной импульсный регулятор постоянного тока, реакторное звено постоянного тока и трехфазный электронный мостовой коммутатор с выходными фильтровыми конденсаторами (Патент на полезную модель №63994 U1 Трехфазный инвертор тока. Резников СБ., Соколов А.И., МАИ, Бюлл. №16 от 10.06.2007).
К недостаткам указанного трехфазного инвертора тока (прототипа) относятся: плохое качество выходной электроэнергии, в частности - существенная несинусоидальность формы выходных токов и напряжений, невозможность общего заземления входных и выходных цепей, снижающая электробезопасность при эксплуатации устройства, а также узкие функциональные возможности устройства, а именно - неспособность питания нагрузки постоянного тока с обеспечением гальванической развязки цепей источника и нагрузки, неработоспособность при питающем напряжении с увеличенной глубиной пульсаций, например - выпрямленном напряжении однофазной сети переменного тока.
Основным техническим результатом предложения является улучшение качества выходной электроэнергии, в частности - синусоидальности формы выходных токов и напряжений.
Дополнительными техническими результатами предложения являются: возможность общего заземления входных и выходных цепей для упрощения конструкции и повышения электробезопасности при эксплуатации устройства, а также расширение функциональных возможностей устройства, а именно - питания нагрузки постоянного тока с обеспечением гальванической развязки цепей источника и нагрузки и работоспособности при питающем напряжении с увеличенной глубиной пульсаций, например - выпрямленном напряжении однофазной сети переменного тока.
Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в трехфазный инвертор тока, содержащий два входных и три фазных выходных вывода для подключения к источнику питания постоянного тока и к трехфазной нагрузке переменного тока, входной импульсный регулятор с первой диодно-ключевой стойкой и реактором, три параллельно соединенных по входу электронных коммутатора, имеющих каждый два последовательно-согласно включенных основных электронных ключа и выходной фильтровый конденсатор, подключенный первым выводом к соответствующему фазному выходному выводу устройства, а также блок управления, имеющий цепи обратных связей по входным и выходным параметрам с датчиками входных и выходных токов и напряжений, три группы основных модулирующих выходных выводов, подключенных к управляющим выводам основных электронных ключей соответствующих коммутаторов, и регулирующие выходные выводы, подключенные к управляющим выводам импульсного регулятора, ВВЕДЕНЫ общий заземляющий вывод и входная двухконденсаторная емкостная стойка с заземленным средним выводом, шунтирующая входные выводы устройства; во входной импульсный регулятор в дополнение к имеющейся однонаправленной первой диодно-ключевой стойке ВВЕДЕНА аналогичная вторая стойка, а реактор ВЫПОЛНЕН с двумя последовательно-встречно соединенными обмотками; в каждый электронный коммутатор ВВЕДЕНЫ однонаправленные три двуключевые электронные стойки, управляемая двухвентельная стойка, две двухдиодные стойки, два диода и трансреактор с двумя парами первичных обмоток, а в блок управления ВВЕДЕНЫ три группы дополнительных модулирующих выходных выводов и три группы релейных выходных выводов, причем в каждом электронном коммутаторе первая электронная стойка, зашунтированная крайними выводами первой двухдиодной стойки, своим средним силовым выводом подключена вместе со средним выводом второй двухдиодной стойки к соответствующему фазному выходному выводу устройства, каждым крайним силовым выводом подключена через последовательно соединенные соответствующую первичную обмотку первой их пары и диод к соответствующему входному выводу устройства, а управляющими выводами - к первой группе дополнительных модулирующих выходных выводов блока управления, вторая электронная стойка, зашунтирована крайними выводами второй двухдиодной стойки, своим средним силовым выводом подключена вместе со средним выводом первой двухдиодной стойки, а также со средними силовыми выводами третьей электронной стойки и двухвентельной стойки ко второму заземленному выводу выходного фильтрового конденсатора, каждым крайним силовым выводом подключена через последовательно соединенные соответствующие первичную обмотку второй их пары и основной электронный ключ к соответствующему входному выводу устройства, а управляющими выводами - ко второй группе дополнительных модулирующих выходных выводов блока управления, третья электронная стойка каждым крайним силовым выводом подключена к точке соединения соответствующих первичной обмотки первой их пары и диода, а управляющими выводами - к третьей группе дополнительных модулирующих выходных выводов блока управления, а двухвентильная стойка каждым крайним силовым выводом подключена к точке соединения соответствующих первичной обмотки второй их пары и основного электронного ключа, а управляющими выводами - к соответствующей группе релейных выходных выводов блока управления, а также БЛАГОДАРЯ тому, что в него ВВЕДЕНЫ диодно-конденсаторная цепочка, многопозиционный переключатель и дополнительные выходные выводы для подключения нагрузки постоянного тока, а трансреакторы всех его электронных коммутаторов ВЫПОЛНЕНЫ с общим для всех магнитопроводом, дополненным многовыводной вторичной обмоткой, зашунтарованной через указанный переключатель указанной цепочкой, выводы конденсатора которой подключены к дополнительным выходным выводам устройства.
Лабораторные экспериментальные исследования макета устройства и его компбютерное моделирование подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (см. Фиг.) приведены принципиальная схема силовой части и внешние цепи блока управления предлагаемого трехфазного инвертора тока.
Трехфазный инвертор тока содержит два входных и три фазных выходных вывода 1, 2 и 3, 4, 5 для подключения к источнику питания постоянного тока и к трехфазной нагрузке переменного тока, соответственно, входной импульсный регулятор 6, три параллельно соединенных по входу электронных коммутатора 7, 8, 9, имеющих каждый два последовательно-согласно включенных основных электронных ключа 10, 11 и выходной фильтровый конденсатор 12, а также блок управления 13. Последний имеет цепи 14, 15, 16 обратных связей по входным и выходным параметрам с датчиками входных и выходных токов и напряжений, три группы основных модулирующих выходных выводов 17, и регулирующие выходные выводы 18. Устройство содержит также общий заземляющий вывод 19, входную двухконденсаторную стойку 20-21 с заземленным средним выводом, шунтирующую входные выводы устройства. Входной импульсный регулятор состоит из первой и второй диодно-ключевых стоек 22-23 и 24-25 и реактора 26, выполненного с двумя последовательно-встречно соединенными обмотками 27, 28. Каждый электронный коммутатор имеет также три однонаправленные двуключевые электронные стойки 29-30, 31-32 и 33-34, управляемую двухвентельную стойку 35-36, две двухдиодные стойки 37-38 и 39-40, два диода 41,42 и трансреактор с двумя парами первичных обмоток 43-44 и 45-46. Блок управления имеет также три группы дополнительных модулирующих выходных выводов 47, 48, 49 и три группы релейных выходных выводов 50. Кроме этого устройство содержит диодно-конденсаторную цепочку 51-52, многопозиционный переключатель 53 и дополнительные выходные выводы 54, 55 для подключения нагрузки постоянного тока. Трансреакторы всех электронных коммутаторов выполнены с общим для всех магнитопроводом 56, имеющим дополнительную многовыводную вторичную обмотку 57.
Выходной фильтровый конденсатор 12 каждого электронного коммутатора 7, 8, 9 подключен первым выводом к соответствующему фазному выходному выходу устройства. Три группы основных модулирующих выходных выводов 17 блока управления 13 подключены к управляющим выводам основных электронных ключей 10,11 соответствующих коммутаторов 7, 8, 9 а регулирующие выходные выводы 18 - к управляющим выводам импульсного регулятора 6.
В каждом электронном коммутаторе 7, 8, 9 первая электронная стойка 29-30, зашунтированная крайними выводами первой двухдиодной стойки 37-38, своим средним силовым выводом подключена вместе со среднем выводом второй двухдиодной стойки 39-40 к соответствующему фазному выходному выводу 3, 4, 5 устройства, каждым крайним силовым выводом подключена через последовательно соединенные соответствующую первичную обмотку первой их пары 43-44 и диод 41,42 к соответствующему входному выводу 1, 2 устройства, а управляющими выводами - к первой группе 47 дополнительных модулирующих выходных выводов блока управления 13. Вторая электронная стойка 31-32, зашунтированная крайними выводами второй двухдиодной стойки 39-40, своим средним силовым выводом подключена вместе со средним выводом первой двухдиодной стойки 37-38, а также со средними силовыми выводами третьей электронной стойки 33-34 и двухвентильной стойки 35-36 ко второму заземленному выводу выходного фильтрового конденсатора 12, каждым крайним силовым выводом подключена через последовательно соединенные соответствующие первичную второй их пары 45-46 и основной электронный ключ 10, 11 к соответствующему входному выводу 1,2 устройства, а управляющими выводами - ко второй группе 48 дополнительных модулирующих выходных выводов блока управления 13. Третья электронная стойка 33-34 каждым крайним силовым выводом подключена к точке соединения соответствующих первичной обмотки первой их пары 43-44 и диода 41, 42, а управляющими выводами - к третьей группе 49 дополнительных модулирующих выходных выводов блока управления 13. Двухвентельная стойка 35-36 каждым крайним силовым выводом подключена к точке соединения соответствующих первичной обмотки второй их пары 45-46 и основного электронного ключа 10, 11, а управляющими выводами - к соответствующей группе 50 релейных выходных выводов блока управлении 13. Многовыводная вторичная обмотка 57 общего реакторного магнитопровода 56 зашунтирована через многопозиционный переключатель 53 диодно-конденсаторной цепочкой 51-52, выводы конденсатора 52 которой подключены к дополнительным выходным выводам 54,55 устройства.
В качестве основных электронных ключей 10, 11, а также ключей электронных стоек 29-30, 31-32, 33-34 можно использовать транзисторы, в частности IGBT с обратно-блокирующими диодами в коллекторной цепи, в качестве электронных ключей 23, 25 диодно-ключевых стоек 22-23 и 24-25 можно использовать биполярные транзисторы с шунтирующими обратными диодами или полевые транзисторы с внутренними обратными диодами. В качестве управляемых вентилей двухвентильной стойки 35-36 можно использовать обычные однооперационные тиристоры без схем искусственного запирания.
Для реализации каналов цепей обратных связей 14, 15 по входным параметрам и регулирующих выходных выводов 18 блока 13 управления можно использовать широко выпускаемые микросхемы «широтно-импульсной модулятор (ШИМ)». Для цепей обратных связей 16 и модулирующих выходных выводов 47, 48, 49 можно использовать также широко выпускаемые микросхемы «корректор коэффициента мощности».
Трехфазный инвертор тока работает следующим образом. Входные выводы 1, 2 устройства подключают к источнику постоянного тока с полярностью, показанной на чертеже, а фазные выходные выводы и общий зазаемляющий вывод 19 - к трехфазной нагрузке переменного тока, например - к приводному трехфазному электродвигателю с якорной обмоткой, соединенной в звезду с заземленным нулевым (нейтральным) выводом.
20
21
21
20
На регулирующих выходных выводах 18 блока управления 13 формируются широтно-модулированные импульсные сигналы, поступающие на управляющие выводы транзисторов 23 и 25 входного импульсного регулятора 6, обеспечивающего активное выравнивание напряжений U и U на конденсаторах 20 и 21. Если сигнал датчика напряжения в цепи обратной связи 14 превышает величину аналогичного сигнала в цепи обратной связи 15, то широтно-модулируется ключ 23, а если наоборот, то - ключ 25. Так например, при очередном включении ключа 23 суммарное потокосцепление реактор 26 нарастает вместе с током в цепи: 1-23-27-19, частчно разряжая коненсатор 20, а после его выключения - частично плавно спадает вместе с токами от ЭДС индукции в цепях: 27-19-21-2-24-27 и 28-19-21-2 - обратный диод ключа 25-28, заряжая конденсатор 21 для выполнения условия: U=U.
Аналогичным образом с помощью модуляции ключа 25 можно переносить заряд обратно - от конденсатора 21 в конденсатор 20 (благодаря полной симметричности схемы импульсного регулятора 6).
На основных и дополнительных модулирующих выходных выводах 17, 47, 48, 49 блока управления 13 также формируются широтно-модулированные импульсные сигналы, корректируемые по ширине сигналами цепей обратных связей 14, 15, 16, определяющих поочеродность следующих возможных режимов работы каждого из электронных коммутаторов 7, 8, 9 при прямом преобразовании энергии (из источника в нагрузку):
21
20
0
0
3-19
A
4-19
B
5-9
C
1. Режим «понижения напрряжения», когда U=U>U, где U - амплитуда выходных фазных напряжений U=U, U=U, U=U;
21
20
A,B,C
2. Режим «повышения напряжения», когда U=U≤U(t) и аналогичных режимов при обратном (рекуперативном) преобразовании энергии (из нагрузки в источник);
20,21
A,B,C
3. Режим «рекуперации с понижением», когда U<U(t);
20,21
A,B,C
4. Режим «рекуперации с повышением», когда U>U(t).
В дополнение к указанным основным режимам могут также использоваться вспомогательные режимы:
1-2
20
21
5. Режим «накопления и дозирования» энергии трансреактора при прямом преобразовании, когда в питающем напряжении U или в одном из напряжений U и U возникают глубокие пульсации, недостаточно сглаженные конденсаторами 20 и 21;
6. Режим «конверторного питания» нагрузки постоянного тока (через выводы 54, 55).
Ниже для всех перечисленных шести режимов указываются цепи нарастания и спада суммарного потокосцепления трансреактора с общим магнитопроводом 56 в первом электронном коммутаторе 7.
В связи с симметрией схемы электронного коммутатора, каждая половина которого работает в течение одного полупериода фазного выходного напряжения, достаточно рассмотреть его работу на этапе одного полупериода, например, когда потенциал фазного выходного вывода 3 положителен относительно общего заземленного вывода 19.
1. Режим «понижения напряжения»
u
ШИМ
u
ШИМ
П
1-2
u
ШИМ
При включении ключа 10 и управляемого вентиля 35 потокосцепление трансреактора плавно нарастает вместе с током в цепи: 1-10-45-39-3-нагрузка-19 в течение времени импульса Δt, а после выключения ключа 10 - частично плавно спадает вместе с током в цепи: 45-39-3-нагрузка-19-35-45 в течение паузы (T-Δt), где T - период высокочастотной широтно-импульсной модуляции. Далее процесс периодически повторяется в соответствии с регулировочной характеристикой: , где U=U - напряжение источника питания, γ=Δt,/T - коэффициент заполнения импульса, регулируемый для обеспечения синусоидальной формы выходного тока. При этом потокосцепление трансреактора остается неразрывным (не спадает до нуля).
Режим «повышения напряжения».
u
При синхронном включении ключей 10 и 31 потокосцепление трансреактора плавно нарастает вместе с током в цепи: 1-10-45-31-19 в течение времени импульса Δt, а после выключения ключа 31 - частично плавно спадает вместе с током в цепи: 45-39-3-нагрузка-19-1-10-45. Далее процесс периодически повторяется в соответствии с регулировочной характеристикой: , где γ - регулируется цепью обратной связи 16 блока управления 13 для обеспечения синусоидальной формы выходного тока.
Режим «рекуперации с понижением».
u
ШИМ
u
20
A
При включении ключа 29 потокосцепление трансреактора плавно нарастает вместе с током в цепи 3-29-43-41-1-20-19 в течение времени импульса Δt, а после его выключения - частично плавно спадает вместе с током в цепи: 43-41-1-20-19-37-43 в течение паузы (T-Δt). Далее процесс периодически повторяется в соответствии с регулировочной характеристикой: U(t)=γU, где γ - регулируется цепью обратной связи 16 блока управления 13 для обеспечения синусоидальности тока рекуперативного фазного тока.
Режим «рекуперации с повышением».
При синхронном включении ключей 29 и 33 потокосцепление трансреактора плавно нарастает вместе с током в цепи: 3-29-43-33-19, а после выключения ключа 33 - частично плавно спадает вместе с током в цепи: 43-41-1-20-19-3-29-43. Далее процесс периодически повторяется в соответствии с регулировочной характеристикой: , где γ также регулируется, а потокосцепление трансреактора также неразрывно.
Режим «накопления и дозирования» энергии трансреактора при прямом преобразовании.
u
П
ШИМ
u
П
u
ШИМ
П
П
ШИМ
При синхронном включении ключей 10 и 31 и вентиля 35 происходит нарастание потокосцепления и накопление электромагнитной энергии трансреактора вместе с током в цепи: 1-10-45-31-19 за регулируемое время импульса Δt. Затем после выключения ключа 10 накопленная к этому моменту времени энергия приближенно сохраняется вместе с током в коротко-замкнутом контуре: 45-31-35-45 в течение также регулируемой «пассивной» паузы Δt. Затем после выключения ключа 31 доза накопленной энергии трансреактора передается в нагрузку вместе с током в цепи: 45-39-3-нагрузка-19-35-45 за оставшееся от периода модуляции время (T-Δt-Δt). Далее указанные процессы периодически повторяются. Заметим, что использование двух регулируемых параметров: γ=Δt,/T и γ=Δt/T обеспечивает статическую устойчивость процесса прямого преобразования энергии с непрерывным потокосцеплением трансреактора, среднециклическая велчина которого регулируется блоком управления по однополярному квазисинусоидальному закону , где ω=2πƒ - циклическая частота выходного фазного тока.
Режим конверторного питания нагрузки постоянного тока.
ШИМ
u
П
Этот режим отличается от рассмотренного предыдущего только цепью протекания токов на последнем временном интервале (T-Δt-Δt). На этом интервале одновременно вместе с вышеуказанным спадающим током в цепи: 45-39-3-12-19-35-45, поддерживаемым ЭДС самоиндукции индуктивности рассеяния первичной обмотки 45 трансреактора, почти скачкообразно индуктируется спадающий затем ток в цепи: 57-53-51-54-нагрузка постоянного тока-55-57, поддерживаемый ЭДС взаимоиндукции между первичной и вторичной обмотками 45 и 57 трансреактора. Таким образом основная часть дозы энергии передается в нагрузку постоянного тока, а малозначительная ее часть, определяемая коэффициентом связи указанных обмоток, рекуперирует в фильтровый конденсатор 12 или передается в фазовую нагрузку переменного тока (если таковая подключена при этом режиме). С помощью выбора позиции (положения подвижного контакта) переключателя 53 можно регулировать среднециклические величины ЭДС индукции и тока нагрузки, подключенной к выходным выводам 54-55 устройства.
Таким образом, в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом обеспечивается основной технический результат: улучшение качества выходной электроэнергии, в частности - синусоидальности формы выходных токов и напряжений, а также дополнительные технические результаты: возможность общего заземления входных и выходных цепей для упрощения конструкции и повышения электробезопасности при эксплуатации устройства, а также расширение функциональных возможностей устройства, а именно - питания нагрузки постоянного тока с обеспечением гальванической развязки цепей источника и нагрузки и работоспособности при питающем напряжении с увеличенной глубиной пульсаций, например - выпрямленном напряжении однофазной сети переменного тока.