МНОГОЗОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ПЕРЕМЕННЫЙ
MULTI ZONE DIRECT TO ALTERNATE CURRENT CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковым преобразователям электрической энергии, предназначенным для преобразования постоянного тока в регулируемый переменный, и может быть использовано в регулируемых электроприводах переменного тока и в качестве регулируемого второго преобразователя в преобразователях частоты с промежуточным звеном постоянного напряжения.
Известен многозонный преобразователь постоянного тока в переменный (Максимов Евгений Андреевич, «Автономный инвертор тока», патент №2045812, Н02М 7/515 от 28.06.1993), который содержит источник тока, к выводам которого подключены управляемые вентили с последовательно соединенными диодами, образующие анодную (катодную) группу вентилей преобразователя постоянного тока в переменный, то есть инвертора тока.
Поскольку инвертор собран по мостовой схеме, то при больших напряжениях питания обратное напряжение на вентилях достигает величины двойного значения амплитуды выходного напряжения, а также увеличивается количество последовательно включенных управляемых вентилей, если используются вентили низкого класса.
Кроме того, известен многозонный преобразователь постоянного тока в переменный (Волков Александр Геннадьевич, Зиновьев Геннадий Степанович, «Многозонный преобразователь постоянного тока в переменный», патент №2523001, Н02М 7/217 от 20.07.2014), являющийся прототипом, содержащий источник тока и 3-фазную мостовую схему, в котором каждое плечо моста выполнено из 2 групп n последовательно включенных управляемых однонаправленных вентилей, к точкам соединения которых в каждом плече моста присоединены дополнительно две группы неуправляемых вентилей, причем одна группа n управляемых вентилей подключена катодом крайнего вентиля к нагрузке, а анодом другого крайнего вентиля группы - к «+» источника тока, вторая группа управляемых вентилей подключена анодом крайнего вентиля к нагрузке, а катодом - к «-» источника тока, при этом между анодом последовательно включенных управляемых вентилей первой группы и нагрузкой включены неуправляемые вентили первой дополнительной группы катодами к нагрузке, аналогично, между катодами управляемых вентилей второй группы и нагрузкой также включены неуправляемые вентили второй дополнительной группы анодами к нагрузке.
Недостатком преобразователя является невысокие значения массогабаритных показателей преобразователя, что обусловлено большим количеством полупроводниковых неуправляемых вентилей.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание многозонного преобразователя постоянного тока в переменный с улучшенными массогабаритными показателями преобразователя.
Поставленная задача достигается тем, что в многозонный преобразователь постоянного тока в переменный, содержащий источник постоянного тока на входе, конденсаторный делитель напряжения на выходе, включенный параллельно с нагрузкой, и включенную между ними 3-фазную мостовую схему, имеющий одну группу последовательно включенных полностью управляемых однонаправленных вентилей в каждом плече моста, дополнительно к имеющейся группе последовательно включенных полностью управляемых однонаправленных вентилей введены еще (n-1) параллельных групп последовательно включенных полностью управляемых однонаправленных вентилей (транзисторов или GTO-тиристоров), причем каждая такая группа подключена коллектором (анодом) верхнего вентиля к «+» источника постоянного тока, а эмиттером (катодом) - к верхней обкладке соответствующего конденсатора в конденсаторном делителе напряжения. Эмиттер (катод) нижнего управляемого вентиля подключен к «-» источника постоянного тока, а коллектор (анод) соединен с эмиттером (катодом) верхнего управляемого вентиля и с верхней обкладкой соответствующего конденсатора в конденсаторном делителе напряжения.
На фиг. 1 приведена схема предлагаемого преобразователя на примере трехфазного двухзонного режима, на фиг. 2 приведена осциллограммы выходного тока и напряжения для первого (верхнего по уровню напряжения) поддиапазона регулирования. На фиг. 3 приведена диаграмма выходного тока и напряжения для второго (нижнего по уровню напряжения) поддиапазона регулирования. На фиг. 4 приведен ток фазы А преобразователя до выходного фильтра.
Многозонный преобразователь постоянного тока в переменный на примере трехфазного (фиг. 1) содержит источник постоянного тока 1, блоки вентилей 2, 3, 4, образующие три фазы преобразователя, а для каждой фазы выходного тока существует n параллельных одинаковых групп последовательно включенных управляемых однонаправленных вентилей (5, 6, 7 для фазы А), конденсаторный делитель напряжения 8, подключенный к соответствующим выходам преобразователя совместно с трехфазной (в примере) активно-индуктивной нагрузкой 9. Каждая группа вентилей (5, 6, 7) содержит по два плеча, состоящих каждое из последовательно включенного управляемого вентиля (транзистора или GTO-тиристора) и диода (для рассматриваемой фиг. 1 с n=2 уровнями), это управляемый вентиль 10 и диод 11 для верхнего плеча группы вентилей 5 и управляемый вентиль 12 и диод 13 для нижнего плеча группы вентилей 5, управляемый вентиль 14 и диод 15 для верхнего плеча группы вентилей 6 и управляемый вентиль 16 и диод 17 для нижнего плеча группы вентилей 6, управляемый вентиль 18 и диод 19 для верхнего плеча группы вентилей 7 и управляемый вентиль 20 и диод 21 для нижнего плеча группы вентилей 7, при этом подключенных коллекторами (анодами) вентилей 10, 14, 18 - к «+» источника постоянного тока 1, а их эмиттерами (катодами) - к соответствующей верхней обкладке конденсатора конденсаторного делителя. Эмиттеры (катоды) нижних управляемых вентилей 12, 16, 20 подключены к «-» источника постоянного тока 1, а коллекторы (аноды) подключены к соответствующей верхней обкладке конденсатора в конденсаторном делителе. В двух других блоках вентилей 3, 4 других фаз нагрузки параллельные одинаковые группы последовательно включенных однонаправленных вентилей соединены с выходными конденсаторами конденсаторного делителя напряжения соответствующей фазы.
Устройство работает следующим образом. Весь диапазон регулирования выходного тока разделен на n поддиапазонов, в рассматриваемом случае на n=2 поддиапазона.
В первом поддиапазоне регулирования импульсы управления, сгенерированные по принципу синусоидальной ШИМ, подаются на управляемые однонаправленные вентили 10, 12 вентильных групп 2, 3, 4 соответственно. На ключи 14, 16 импульсы управления не подаются. Мгновенное значение выходного напряжения на нагрузке возрастает до максимального значения, как показано на фиг. 2
Во втором поддиапазоне импульсы управления, сгенерированные по принципу синусоидальной широтно-импульсной модуляции, подаются на управляемые однонаправленные вентили 14, 16 вентильных групп 2, 3, 4 соответственно. Мгновенное значение выходного напряжения на нагрузке уменьшаются примерно в 2 раза по сравнению со значением напряжения в первом поддиапазоне, как показано на фиг. 3, где наряду с выходным напряжением показаны фазные токи нагрузки.
Результирующая частота коммутации при ШИМ выходного тока слагается из частот коммутации вентилей параллельных плеч моста и может превосходить частоту коммутации плеча моста прототипа, что приведет к улучшению качества выходного напряжения преобразователя.
Таким образом, создан новый многозонный преобразователь постоянного тока в переменный, имеющий улучшенные массогабаритные показатели. Это достигнуто за счет уменьшения количества полупроводниковых элементов преобразователя и независимого управления вентилями плеч моста.
Кроме того, независимое управление вентилями плеч моста позволяет улучшить качество выходного напряжения преобразователя.