EA006984B1

EA006984B1 - Многофункциональный силовой преобразователь

Info

Publication number: EA006984B1
Application number: EA200401374A
Authority: EA
Inventors: Джиалин Ву
Original assignee: Джиалин Ву
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2003-04-08
Publication date: 2006-06-30
Also published as: AU2003236114A1; EA200401374A1; US20050174812A1; WO2003088468A1; EP1555743A1; JP2005522978A; US7173832B2

Abstract

В изобретении предлагается многофункциональный силовой преобразователь для использования в области передачи электроэнергии. Многофункциональный силовой преобразователь содержит схему выпрямления, схему фильтра, соединенную со схемой выпрямления, схему инвертора, соединенную со схемой фильтра, дифференциально включенные реакторы ограничения напряжения (LS, LS, LS), а также батарею конденсаторов фильтра, которые включены последовательно с соответствующими выходными шинами (U, V, W) схемы инвертора. Изобретение характеризуется тем, что замкнутое магнитное кольцо образовано на выходных шинах (U, V, W), между дифференциально включенными реакторами ограничения напряжения и батареей конденсаторов фильтра, причем выходные шины (U, V, W) намотаны в параллель на замкнутом магнитном кольце. За счет использования предложенного замкнутого магнитного кольца шунтируется высокочастотный сигнал, в результате чего уменьшается выходное синфазное напряжение и улучшается форма кривой выходного напряжения. Кроме того, многофункциональный силовой преобразователь является очень простым по структуре, что позволяет существенно снизить его стоимость, а также объемные и весовые характеристики.

Description

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию устройств для передачи электроэнергии, а более конкретно, к созданию многофункционального силового преобразователя (инвертора).

Предпосылки к созданию изобретения

По мере развития науки и техники специалисты создают различные устройства передачи электроэнергии, позволяющие разумно использовать электрическую энергию сети электропитания и обеспечить требования, предъявляемые к различному силовому оборудованию, такому как трансформатор для изменения уровня напряжения, инвертор для преобразования переменного напряжения в постоянное, трансдуктор, который изменяет выходную частоту, силовые устройства с обратной связью, а также различные активные компенсаторы реактивной мощности, которые позволяют защитить сеть электропитания от помех. Общим недостатком этих устройств передачи электроэнергии является то, что каждое из них служит для выполнения единственной функции, причем их рабочие параметры не позволяют обеспечить идеальный режим функционирования. Например, существует противоречие между габаритной мощностью трансформатора и высокой температурой изоляции и стоимостью потребляемых материалов; противоречие между высоким напряжением переключения инвертора и собственным низким напряжением силового переключателя; и ухудшением условий работы электрической машины за счет синфазного напряжения, получаемого за счет работы на высокой частоте, а также результирующими помехами, передаваемыми в электрический источник сети электропитания. Для решения указанных проблем и повышения качественных параметров, обычной практикой является использование инвертора, который содержит секцию выпрямления, фильтрующую секцию и секцию преобразования. Этот тип инвертора вырабатывает 2 типа сигналов во время работы, а именно сигналы высокой и низкой частоты. Он работает с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) сигнала, что приводит к появлению высокого содержания гармоник. Во время работы за счет высокочастотного сигнала образуется синфазное напряжение, поступающее на вход электрической машины, что приводит к перегреву электрической машины и к большим потерям, в результате чего существенно снижается ее КПД, а также возникают помехи в звуковой области. Кроме того, синфазное напряжение может передаваться через провод заземления к электрическому источнику сети электропитания и создавать помехи. Для решения указанной проблемы, вызванной синфазным напряжением, обычной практикой является подавление и блокировка синфазного напряжения в трансформаторе, за счет чего также снижается синфазное напряжение, приложенное к секции преобразования, в результате чего обеспечивается нормальная работа силовых переключателей, имеющих низкое допустимое напряжение, которые использованы в секции преобразования (см. публикацию РгсГсггсб 8ο1ιιΙίοη8 ίο Егес.|иепсу Οοηίτοί оГ Μοίοτ 8рееб оГ Мебшш УоНадс МасЫпе гс1са5сб ίη Е1ес1пс Ттап8Ш188юп, Ш 188ие, 2002, риЬйзйеб Ьу Т1аирп Е1ес1пс Ттап8Ш188Юп Эемдп Кезеатсй 1п81йи1е). Недостатком такого решения является большая масса инвертора и его высокая стоимость, причем такое устройство может быть использовано только в качестве инвертора.

Краткое изложение изобретения

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков известных устройств, создание многофункционального силового преобразователя, имеющего простую структуру и улучшенные характеристики, который может не только вырабатывать электрическую энергию высокого качества, необходимую для силового оборудования, такого как электрическая машина, но и позволяет защитить электрический источник сети электропитания от помех.

Задача настоящего изобретения достигнута за счет подавления выходного синфазного напряжения и преобразования колебаний с широтно-импульсной модуляцией в выходные синусоидальные колебания. Многофункциональный силовой преобразователь содержит схему выпрямления, схему фильтра, соединенную со схемой выпрямления, схему инвертора, соединенную со схемой фильтра, а также дифференциально включенные реакторы ограничения напряжения (Ь8₁, Ь8₂, Ь8з), которые включены последовательно с соответствующими выходными шинами (и, У, V) схемы инвертора, и батарею конденсаторов фильтра. Указанная батарея конденсаторов фильтра образована из конденсаторов (С3, С4, С5), которые включены последовательно с выходными шинами (и, У, V), в то время как другие концы конденсаторов (С3, С4, С5) включены параллельно и образуют центральную точку (Ν). Отличительной характеристикой настоящего изобретения является то, что выходные шины (и, У, V) на участке между дифференциально включенными реакторами ограничения напряжения и батареей конденсаторов фильтра намотаны в параллель на магнитном кольце, образуя индуктор. Было обнаружено, что последний обладает неожиданной функцией блокирования высокочастотного сигнала, так что существенно снижается высокочастотный сигнал, протекающий через различные силовые переключатели в реакторах и схемах инвертора, за счет чего радикально подавляется выходное синфазное напряжение и обеспечивается нормальная работа индуктора, который не будет перегреваться, причем различные силовые переключатели не будут испытывать перенапряжение. Подавление высокочастотного компонента и позволяет в соответствии с настоящим изобретением получить полностью синусоидальную форму колебаний выходного напряжения, за счет чего улучшаются условия работы электрической машины и исключаются помехи, вызванные передачей синфазного напряжения в сеть электропитания. Если выходные шины (XV. и, У) схемы инвертора соединить с электрическим источником сети электропитания в этот момент, то преобразо- 1 006984 ватель электрической энергии может быть использован как активный компенсатор реактивной мощности, силовое устройство с обратной связью, широтно-импульсный выпрямитель и активный фильтр, что позволяет обеспечить его многофункциональность.

Центральная точка N батареи конденсаторов фильтра соединена с центральной точкой (А) фильтра выпрямителя источника постоянного тока, причем обе эти точки заземлены. Так как емкостное сопротивление конденсатора намного меньше, чем емкостное сопротивление утечки электрической машины, путь тока нулевой последовательности может быть соединен с центральной точкой А схемы фильтра источника постоянного тока, так что обходной ток утечки поглощается конденсатором фильтра, что позволяет исключить феномен двухполупериодного выпрямления. Эта структура особенно хорошо подходит для использования с различными электрическими машинами переменного тока.

По сравнению с известными изделиями аналогичного назначения, в силовом преобразователе в соответствии с настоящим изобретением использовано магнитное кольцо с намотанными на нем в параллель шинами, которое блокирует высокочастотный сигнал, в результате чего снижается выходное синфазное напряжение и улучшается форма выходного напряжения. Это дополнительно улучшает условия работы и увеличивает срок службы электрической машины. Указанное в значительной степени применимо также к электрическому оборудованию различного вида, которое должно работать при стандартном синусоидальном напряжении, например, к морским источникам питания, источникам питания транспортных средств и т.п. Со структурной точки зрения, в силовом преобразователе не используется сетевой трансформатор, что приводит к упрощению структуры и существенно снижает стоимость, а также объемные и весовые характеристики.

Указанные ранее и другие характеристики настоящего изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема устройства в соответствии с настоящим изобретением, на фиг. 2 - схема замещения устройства в соответствии с настоящим изобретением, на фиг. 3 - схема замещения известного силового преобразователя.

Подробное описание изобретения

Как это показано на фиг. 1, силовой преобразователь в соответствии с настоящим изобретением содержит схему выпрямления, схему фильтра, соединенную со схемой выпрямления, схему инвертора, соединенную со схемой фильтра, а также дифференциально включенные реакторы ограничения напряжения (Ь8₁, Ь8₂, Ь8₃) и батарею конденсаторов фильтра, которые включены последовательно с соответствующими выходными шинами (и, V, схемы инвертора. Указанная батарея конденсаторов фильтра состоит из конденсаторов (С3, С4, С5), которые включены последовательно с выходными шинами (и, V, ^), в то время как другие концы конденсаторов (С3, С4, С5) включены параллельно и образуют центральную точку (Ν). Выходные шины (и, V, схемы инвертора между дифференциально включенными реакторами ограничения напряжения и батареей конденсаторов фильтра намотаны в параллель на магнитном кольце ЬЕ. Построение схемы выпрямления, схемы фильтра, схемы инвертора, реакторов Ь8 и батареи конденсаторов фильтра, которые входят в данный многофункциональный силовой преобразователь, а также структурные связи между различными компонентами, соответствуют структурной форме преобразователя, выпускаемого фирмой Сйеидби Ла1шд Е1ес1пс МагшГасШге СотротаЛои, 81сйиаи Ртоушсе, СЫиа (Китай). Центральная точка N конденсаторов фильтра (С3, С4, С5) и центральная точка схемы фильтра источника постоянного тока подключены к земле, что позволяет получить такую же структуру. На фиг. 2 показана схема замещения устройства в соответствии с настоящим изобретением, на которой К₂ представляет собой эквивалентное сопротивление контура между точкой N и точкой А, в то время как В₁ представляет собой эквивалентный импеданс электрической машины ЭЛ а ί представляет собой синфазный ток, причем сопротивление К₂ подключено к земле. Так как К₂ << К₁, то можно полагать, что этот синфазный ток ί является короткозамкнутым и не втекает в обмотку электрической машины, за счет чего достигается погашение или подавление синфазного напряжения. Другими словами, емкостное сопротивление конденсаторов (С3, С4, С5) намного меньше, чем эквивалентный импеданс обмотки электрической машины относительно земли, так что синфазный ток непосредственно возвращается через конденсаторы (С3, С4, С5) на шину постоянного тока преобразователя и не поступает в обмотку электрической машины. Синфазный динамический ток ί (см. фиг. 3), вызванный за счет синфазного напряжения существующего источника питания инвертора, протекает через эквивалентное сопротивление К.₁ и эквивалентную индуктивность Ь₁ обмотки электрической машины на провод заземления, откуда он возвращается на провод заземления входного электрического источника В и затем поступает в источник питания инвертора νΕ.

Claims

1. Многофункциональный силовой преобразователь, который включает в себя схему выпрямления, схему фильтра, соединенную со схемой выпрямления, схему инвертора, соединенную со схемой фильтра, дифференциально включенные реакторы ограничения напряжения (Б8₁, Б8₂, Ь8₃), которые включены последовательно с соответствующими выходными шинами (и, V, Ш) схемы инвертора, и батарею конденсаторов фильтра, причем указанная батарея конденсаторов фильтра состоит из конденсаторов (С3, С4, С5), которые включены последовательно с выходными шинами (и, V, Ш), в то время как другие выводы конденсаторов (С3, С4, С5) включены параллельно и образуют центральную точку (Ν), отличающийся тем, что выходные шины (и, V, Ш) на участке между дифференциально включенными реакторами ограничения напряжения и батареей конденсаторов фильтра намотаны в параллель на магнитном кольце.

2. Многофункциональный силовой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что центральная точка (Ν) батареи конденсаторов фильтра соединена с центральной точкой (А) фильтра выпрямителя источника постоянного тока, причем обе эти точки заземлены.