ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР С МНОГОФАЗНЫМ ВЫХОДОМ

«Область техники, к которой относится полезная модель»
Заявляемая полезная модель относится к преобразователям электроэнергии постоянного тока повышенного напряжения в переменный ток. Такие преобразователи предназначены для электровозов с питанием от контактной сети постоянного тока повышенного напряжения (12 или 24 кВ), для мощных стационарных электроприводов с асинхронными двигателями 6-12 кВ и для специальной электрофизической аппаратуры.
«Уровень техники» Известен инвертор, содержащий полностью управляемые вентили и трансформатор, обмотки которого включены по нулевой схеме и посредством указанных вентилей соединены с источником постоянного напряжения 20 кВ [1] и выше.
Работоспособность этого инвертора достигается за счет того, что в качестве вентилей использованы газоразрядные лампы с сеточным управлением (разработка фирмы EES - США). Они рассчитаны на работу в жестко заданных условиях по температуре, нагрузке и перенапряжениям. Поэтому их не рекомендуется использовать в бортовых преобразователях транспортных средств и в других установках повышенной надежности.
Известен также автономный инвертор блочного исполнения, содержащий последовательно соединенные преобразовательные ячейки, каждая из которых состоит из конденсатора, встречно-параллельно которому подключен обратный диод, и подключенного к ним инвертора на силовых транзисторах, выходы которого подключены к нагрузке [2].
Недостаток такого инвертор состоит в том, что при высоком входном напряжении необходимо большое число последовательно включенных ячеек. Это эквивалентно последовательному соединению силовых переключательных элементов (обычно IGB-транзисторов). Известно [3], что они резко ухудшают свои характеристики при последовательном соединении. Поэтому сейчас автономные инверторы даже на номинальное напряжение 3 кВ для силовых и вспомогательных цепей электровозов и вагонов [4] выполняют на тиристорах. Только при относительно небольшой мощности (до 250 кВт) используют инверторы на IGBT [5].
В качестве прототипа можно принять высоковольтный автономный инвертор с многофазным выходом, содержащий делитель напряжения, выполненный в виде цепочки из соединенных последовательно идентичных конденсаторов, которая подключена к источнику постоянного напряжения, причем каждая пара конденсаторов этого делителя образует преобразовательную ячейку, выходы которой подключены к первичной обмотки одной из фаз выходного трансформатора, а в составе преобразовательной ячейки предусмотрены управляемые ключевые элементы и цепочка из последовательных диодов, средняя точка которой соединена со средней точкой цепочки конденсаторов [6, 7].
Недостаток прототипа заключается в том, что входящие в состав ячеек ключевые элементы, т.е. IGB-транзисторы, образуют чисто последовательную цепь, при пробое которой имеет место глухое короткое замыкание (КЗ) высоковольтного источника постоянного напряжения. В этом контуре КЗ нет никаких токоограничивающих элементов и ток КЗ достигает значительной величины. Это делает инвертор непригодным для систем ответственного назначения по критерию отказоустойчивости.
«Раскрытие полезной модели»
Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении надежности инвертора в системах, не допускающих перерывов электропитания, например, в электровозах постоянного тока 24 кВ.
Для достижения вышеуказанного технического результата предложен высоковольтный автономный инвертор с многофазным выходом, содержащий делитель напряжения, выполненный в виде цепочки из соединенных последовательно конденсаторов, которая подключена к источнику постоянного напряжения, причем каждая пара конденсаторов этого делителя образует преобразовательную ячейку, первый и второй выводы которой подключены к первичной обмотке одной из фаз выходного трансформатора, а в составе преобразовательной ячейки предусмотрены управляемые ключевые элементы и вентильная цепь из двух последовательно соединенных диодов, общая точка которых соединена со средней точкой цепочки конденсаторов, при этом крайние выводы конденсаторной цепочки соединены соответственно первым ключевым элементом с первым выводом преобразовательной ячейки, подключенным к аноду первого диода вентильной цепи, вторым ключевым элементом со вторым выводом преобразовательной ячейки, к которому при помощи третьего ключевого элемента подключен катод второго диода вентильной цепи, выводы преобразовательной ячейки соединены соответственно с одним из крайних и средним выводами первичной обмотки выходного трансформатора, а четвертый ключевой элемент включен между положительным выводом делителя напряжения и вторым крайним выводом указанной первичной обмотки выходного трансформатора.
«Краткое описание чертежей»
Сущность полезной модели иллюстрируется на чертежах, где:
- фиг. 1 - принципиальная схема инвертора;
- фиг. 2 - диаграмма выходного напряжения для одной фазы.
«Осуществление полезной модели»
Инвертор содержит идентичные преобразовательные ячейки 1А-1Е, которые соединены последовательно и эта цепь подключена к источнику 2 постоянного напряжения величиной. Подробно на фиг. 1 показана схема ячейки 1А; она содержит конденсаторы 3 и 4, которые являются частью входного конденсаторного делителя напряжения. Имеются также диоды 5 и 6; их средняя точка соединена со средней точкой цепи конденсаторов 3-4. Крайние точки указанных цепочек конденсаторов 3-4 и диодов 5-6 соединены между собой ключевыми элементами (КЭ) 8 и 9, причем диод 5 подключен к ключевому элементу 8 через ключевой элемент 15.
На выходе преобразовательной ячейки предусмотрен трансформатор 10; его первичная обмотка состоит из секций 11-12 со средней точной 13. Эта точка посредством ключевого элемента КЭ 9 соединена с входной клеммой «минус» конденсаторной ячейки. Крайние точки секций 11-12 обмотки посредством ключевых элементов 7 и 8 соединены с клеммой «плюс» ячейки.
К вторичной обмотке 14 подключают потребители переменного тока; число фаз определяется количеством ячеек 1. Например, в схеме на фиг. 1 показано 6 ячеек 1А-1Е, что позволяет сформировать 6-фазное напряжение или две системы 3-фазных напряжений. Соответственно обмотки трансформаторов 10 могут быть размещены на одном 6-фазном сердечнике или на двух стандартных сердечниках [8, 9].
Принцип формирования напряжений фаз показан на фиг. 2. Пусть в исходном состоянии ключевые элементы 7, 8, 9 и 15 выключены, все конденсаторы 3-4 заряжены от источника 2 напряжением каждый, где m - количество ячеек 1.
При включении в момент ключевых элементов 9 и 15 напряжение конденсатора 4 прикладывается к секции 11 обмотки; ток замыкается по контуру -5-15-11-9-. В момент включают ключевой элемент 8 и выключают ключевой элемент 15, в результате чего к секции 11 обмотки будет приложено суммарное напряжение конденсаторов 3-4, т.е. Ток замыкается по контуру -8-11-9-.
В момент выключают ключевой элемент 8, отключая конденсатор 3 из контура питания секции 11 обмотки, и включают ключевой элемент 15. Теперь эта обмотка находится под напряжением конденсатора 4 (контур -5-15-11-9- К моменту закончено формирование положительной полуволны напряжения в обмотке 14. В этот момент выключают ключевой элемент 9 и включают ключевой элемент 7, образуя контур -7-12-6-. При этом ток замещается током, магнитный поток в сердечнике трансформатора 10 меняет направление и в обмотке 14 начинается формирование отрицательной полуволны напряжения фазы А, т.е.
+
Далее в процессе формирования кривой выходного напряжения включают в момент ключевой элемент 9. К секции 12 обмотки будет прикладываться суммарное напряжение конденсаторов 3 и 4, т.е., а ток секции (полуобмотки) 12 замыкается по контуру 3-7-12-9-. В момент выключают ключевой элемент 9, и секцию 12 обмотки питает конденсатор 3 по контуру - 7-12-6-. В момент заканчивается формирование отрицательной полуволны и опять начинается формирование положительной полуволны, для чего выключают ключевой элемент 7 и включают ключевые элементы 9 и 15. Далее формирование полуволны повторяют, как описано выше от момента, т.е. от начала периода.
Все ячейки 1А-1Е функционируют идентично. Их работа отличается только сдвигом фаз, что позволяет генерировать многофазное выходное напряжение. На фиг. 2 показано формирование фазного напряжения в ячейке 1Б со сдвигом по отношению к напряжению ячейки 1А.
Анализ диаграмм по фиг. 2 показывает, что в процессе работы инвертора конденсаторы 3 и 4 разряжаются одинаково, что является условием нормальной работы конденсаторного делителя.
Преимущество данного инвертора заключается в том, что секции 11-12 обмотоки трансформатора включены последовательно в цепь IGB-транзисторов, что исключает возможность сквозного пробоя этой цепи и повышает надежность работы инвертора.
Источники информации
1. Бирнбах К.А. Высоковольтный автономный инвертор. Патент РФ №2473163, кл. Н02М 3/15, оп. 20.01.2013, фирма EES (США);
2. Малахов А.П. и др. Частотно регулируемый электропривод. Патент РФ №2293432, кл. Н02Р 25/22, оп. 10.02.2007, НГТУ;
3. Устройства силовой электроники железнодорожного подвижного состава/В.М. Антюхин, А.А. Богомяков, Ю.А. Евсеев и др.; под ред. Ю.М. Инькова и Ф.И. Ковалева - М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2011. - 471 с.
4. Электровозы ЭП10, ЭП20. Техническая документация. Электрооборудование. НЭВЗ;
5. Яцук В.Г. Высоковольтный преобразователь напряжения для пассажирских вагонов. Патент РФ №2403667, кл. Н02М 7/5387, оп. 12.06.2010;
6. Синявский И.В. Преобразователь постоянного напряжения. Патент РФ №2345473, кл. Н02М 3/24, оп.27.01.2009, ВЭлНИИ;
7. Пустоветов М.Ю. Теоретическое исследование устройства питания вспомогательный цепей электровоза. Электроника и электрооборудование транспорта. 2015, №1, с. 18-20, рис. 1;
8. Васютинский С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов. 1970, 442 с.
9. Хныков А.В. Теория и расчет многообмоточных трансформаторов. 2003, 141 с.