СИЛОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к преобразователям энергии, в частности, силовым преобразователям, которые могут быть использованы для сопряжения ветротурбинного электрогенератора с энергосистемой.
Механическая энергия ветротурбины, дизельного двигателя, гидротурбины и т.п., обычно преобразуется в электрическую энергию с помощью электрогенератора. Он состоит из статора и ротора. Частота вырабатываемого напряжения пропорциональна скорости вращения ротора, то есть, например, ветротурбины. В какой-то степени скорость вращения выходного вала ветротурбины может регулироваться изменением положения ее лопастей. Во многих случаях этого недостаточно для получения постоянных по величине электрического напряжения генератора и его частоты.
Известен силовой преобразователь, который содержит выпрямительный мост, питаемый от статора генератора, фильтр, повышающий инвертор тока, индуктивно-емкостной фильтр, сеть электропитания, контроллер конвертора с линиями связи. Механическая часть преобразователя включает лопасти на валу, редуктор, регулятор механизма привода, связанный линиями связи с контроллером. Выпрямитель, питающийся от статора генератора, выполнен диодным или тиристорным. В последнем случае он может обеспечить питание повышающего инвертора тока стабильным напряжением. При этом стабилизация будет осуществляться по «статорному» входному напряжению. Однако на выходе инвертора напряжение может быть нестабильным из-за переменной величины сопротивления нагрузки. (Международная заявка WO 2006090111, МПК H02M 5/458, опубл. 31.08.2006 г.).
Недостаток известного устройства заключается в том, что из-за переменной величины сопротивления нагрузки на выходе инвертора, напряжение на ней будет нестабильным. Это может привести к нарушению нормального режима работы всей системы питания и даже к выходу из строя отдельных ее компонентов.
Известен силовой преобразователь для сопряжения генератора, вырабатывающего регулируемое напряжение с регулируемой частотой, с сетью питания, которая должна обеспечивать номинальное фиксированное напряжение с номинальной фиксированной частотой.
Силовой преобразователь содержит мост генератора, электрически соединенный со статором генератора, и мост сети. Между мостом генератора и мостом сети включено звено ПТ. Между мостом сети и сетью питания включен фильтр, снабженный сетевыми клеммами. Для управления работой силовых полупроводниковых вентилей моста генератора предусмотрен первый контроллер. Аналогично, для управления работой силовых полупроводниковых вентилей моста сети предусмотрен второй контроллер. В первом контроллере используется командный сигнал (VDC GEN∗) регулирования напряжения на звене ПТ, определяемый необходимым напряжением на звене ПТ, для управления силовыми полупроводниковыми вентилями первого активного выпрямителя/инвертора для получения необходимого уровня напряжения на звене ПТ, которое соответствует командному сигналу (VDC GEN∗) регулирования напряжения на звене ПТ. Во втором контроллере используется командный сигнал (P∗) регулирования мощности, определяемый уровнем мощности, которая должна передаваться из звена ПТ в сеть питания через второй активный выпрямитель/инвертор, и командный сигнал (VTURB∗) регулирования напряжения, определяемый напряжением, которое должно быть получено на сетевых клеммах фильтра, для управления силовыми полупроводниковыми вентилями второго активного выпрямителя/инвертора для достижения необходимых уровней мощности и напряжения, которые соответствуют командным сигналам регулирования мощности и напряжения (P∗ и VTURB∗). (Патент РФ №2408971, МПК H02P 9/04, опубл. 10.01.2011 г.).
Недостатком известного устройства является сложная схема силового преобразователя и, как следствие этого, вероятность отказа в различных критических режимах работы.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является силовой преобразователь, который включает входной выпрямитель, фильтр, инвертор на полностью управляемых полупроводниковых приборах с резонансным колебательным контуром последовательно-параллельного типа, согласующего трансформатора нагрузки. Также в схему силового преобразователя входят типовые блоки: блоки управления, блоки уставки и защиты (Патент РФ №134717, опубл. 20.11.2013 - прототип).
Недостатком известного устройства является невозможность регулирования выходного напряжения и мощности в нагрузке при неизменном входном напряжении.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение возможностей системы электропитания за счет изменения выходного напряжения инвертора при фиксированной величине сопротивления нагрузки.
Поставленная техническая задача решается тем, что в силовом преобразователе, состоящем из источника питания постоянного тока, инвертора на управляемых полупроводниковых приборах с резонансным колебательным контуром последовательно-параллельного типа, и подключенной к инвертору нагрузки, согласно предложенной полезной модели, во взаимосвязанных колебательных контурах последовательного и параллельного типов по отношению к нагрузке, последовательный конденсатор выполнен в виде блока параллельно соединенных конденсаторов, которые коммутируются посредством ключей для регулирования величины выходного напряжения и мощности в нагрузке.
Техническим результатом, достижение которого обеспечивается реализацией всей совокупности существенных признаков, является возможность регулирования напряжения и мощности в нагрузке при неизменных значениях входного питающего напряжения инвертора и сопротивлении нагрузки за счет изменения величины емкости последовательного конденсатора колебательного контура инвертора
Сущность полезной модели поясняется рисунками, где
- на фиг. 1 представлена принципиальная схема транзисторного инвертора силового преобразователя;
- на фиг. 2 представлено семейство временных зависимостей напряжений на нагрузке Uн (t) для восьми значений C2 (от 20 nF до 150 nF), параметрические кривые зависимостей напряжения на нагрузке 1 Uнм (C2) и мощности в ней Pнм (C2), при изменении величины емкости конденсатора C2.
Рисунок на фиг. 1 включает следующие позиции:
- стабилизированный источник питания V1,
- транзисторный мост VT1-VT4;
- блок управления БУ этими транзисторами;
- последовательно-параллельный колебательный контур L1, C1, C2, где C2 представляет собой блок конденсаторов C2-1, C2-2, … C2-n;
- коммутирующие ключи K1, K2, … Kn, для подключения требуемого конденсатора;
- нагрузка Rн.
Устройство работает следующим образом.
Постоянное стабильное по величине напряжение подается на одну диагональ моста из четырех транзисторов IGBT. На затворы этих транзисторов подаются управляющие сигналы из блока управления БУ. При попарно-перекрестной коммутации транзисторов VT1, VT4 и VT2, VT3 в другой диагонали моста протекает переменный ток прямоугольной формы с амплитудой, равной напряжению источника питания V1 (за вычетом двух падений напряжения на транзисторах VT1, VT4 и VT2, VT3). Для получения синусоидального напряжения на нагрузке Rн необходимо применить резонансный колебательный контур L1, C1, C2. Этот контур выполнен по последовательно-параллельной схеме, т.к. нагрузка Rн подключена параллельно конденсатору C1. Конденсатор C2, включенный последовательно относительно нагрузки Rн, выполнен в виде блока параллельно-соединенных конденсаторов C2-1, C2-2, … C2-n, коммутируемых ключами K1, K2, … Kn. Здесь n - число конденсаторов и ключей для их коммутации, причем число ключей меньше на единицу чем число конденсаторов, т.е. один конденсатор (C2-1) включен постоянно (без ключа). В противном случае схема будет неработоспособна из-за разрыва цепи протекания тока.
При исследовании математической модели схемы замещения инвертора с таким контуром, получено семейство временных зависимостей напряжений на нагрузке Uн(t) (фиг. 2) для восьми значений C2 (от 20 nF до 150 nF). Так же были построены параметрические кривые зависимостей напряжения на нагрузке Uнм (C2) и мощности в ней Pнм (C2) (фиг. 2), при изменении величины емкости конденсатора C2. Из рассмотрения этих зависимостей видно, что с увеличением емкости последовательного конденсатора C2 до определенного значения наблюдается рост величины напряжения на нагрузке и, соответственно, мощности выделяемой в ней. Естественно, что для разных значений сопротивления нагрузки уровни Uнм (C2) и мощности в ней Pнм (C2) различны. Так при изменении величины C2 в 7,5 раз, Uнм увеличилось в 9 раз, а мощность в нагрузке Pнм -приблизительно в 52 раза (эти значения приведены для сопротивления нагрузки Rн=100 Ом).
Анализируя полученные зависимости можно сделать вывод, что предлагаемая схема (фиг. 1) позволяет регулировать напряжение и мощность в нагрузке. Следует заметить, что нагрузка может быть подключена к инвертору через согласующий трансформатор.