RU2014719C1

RU2014719C1 - Converter of d c voltage to three-phase quasi-sinusoidal voltage

Info

Publication number: RU2014719C1
Authority: RU
Inventors: А.М. Азаров
Original assignee: Красноярский государственный аграрный университет
Priority date: 1991-11-29
Filing date: 1991-11-29
Publication date: 1994-06-15

Abstract

FIELD: conversion equipment. SUBSTANCE: converter has one main and two auxiliary single-phase inverters which outputs are coupled to primary windings correspondingly of main 13 and two auxiliary 14 and 15 transformers. Finishes of secondary winding 16, 17 of main inverter are coupled through A. C. keys 20, 21, 23, 24, 26, 27 to each of output leads A, B, C of converter and its intermediate tap is connected to specified leads through secondary windings 18 and 19 of auxiliary transformers and A.C. keys 22, 25, 28 placed in series. When keys 20-28 are switched on in compliance with definite algorithm quasi-sinusoidal voltage with number of steps in quarter of period equal to 22,5 is formed across output of converter. EFFECT: increased operational stability of converter. 4 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах втоичного электропитания и электропривода. The invention relates to electrical engineering and can be used in secondary power supply systems and electric drives.

Известен преобразователь постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное напяжение (1). Он содержит основной/ вспомогательный и "m" дополнительных однофазных инверторов/ нагруженных на трансформаторы. Концы вторичной обмотки основного трансформатора подключены через ключи переменного тока/ а ее промежуточный отвод - через вторичные обмотки вспомогательного/ дополнительных трансформаторов и ключи переменного тока к выходным выводам преобразователя. Коэффициенты трансформации основного вспомогательного и i-го дополнительного трансформаторов относятся между собой как (3^m+1+1): 3^m: 3^m-i, где i = 1, 2, 3...Все инверторы работают на частотах выше выходной. Напряжения вторичных обмоток трансформаторов алгебраически суммируются и с помощью ключей переменного тока демодулируются в трехфазное многоступенчатое напряжение. Например/ при наличии трех инверторов: основного/ вспомогательного и дополнительного преобразователь формирует 15-ти ступенчатое напряжение/ содержащее значительное количество высших гармоник. Дальнейшее улучшение формы кривой выходного напряжения требует увеличения числа дополнительных инверторов/ что усложняет схему преобразователя и понижает его надежность.A known DC-to-three-phase quasi-sinusoidal voltage converter (1). It contains the main / auxiliary and "m" additional single-phase inverters / loaded on transformers. The ends of the secondary winding of the main transformer are connected via alternating current keys / and its intermediate tap is connected through the secondary windings of the auxiliary / additional transformers and the alternating current keys to the output terminals of the converter. Transformation coefficients of the main auxiliary and i-th additional transformers are related as (3 ^{m + 1} +1): 3 ^m : 3 ^mi , where i = 1, 2, 3 ... All inverters operate at frequencies above the output. The voltages of the secondary windings of the transformers are algebraically summed and, using alternating current keys, demodulated into a three-phase multi-stage voltage. For example / in the presence of three inverters: the main / auxiliary and additional converter generates a 15-step voltage / containing a significant amount of higher harmonics. Further improvement in the shape of the output voltage curve requires an increase in the number of additional inverters / which complicates the converter circuit and reduces its reliability.

Недостатком данного преобразователя является несинусоидальная форма кривой выходного напряжения. The disadvantage of this converter is the non-sinusoidal shape of the output voltage curve.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное (2). Он содержит основной и два вспомогательных инвертора/ нагруженных на трансформаторы. Концы вторичной обмотки основного трансформатора подключены через ключи переменного тока/ а ее промежуточный отвод через последовательно связанные вторичные обмотки вспомогательных трансформаторов и ключи переменного тока к выходным выводам преобразователя. Коэффициенты трансформации основного и вспомогательных трансформаторов относятся между собой как 15: 3:1/ а указанный промежуточный отвод вторичной обмотки основного трансформатора делит ее по числу витков в отношении 10:5. The closest in technical essence to the proposed one is a DC-to-three-phase quasi-sinusoidal converter (2). It contains the main and two auxiliary inverters / loaded on transformers. The ends of the secondary winding of the main transformer are connected via alternating current keys / and its intermediate tap through the serially connected secondary windings of auxiliary transformers and alternating current keys to the output terminals of the converter. The transformation ratios of the main and auxiliary transformers are related to each other as 15: 3: 1 / and the specified intermediate tap of the secondary winding of the main transformer divides it by the number of turns in the ratio of 10: 5.

Цель изобретения - улучшение качества выходного напряжения путем уменьшения коэффициента гармоник. The purpose of the invention is to improve the quality of the output voltage by reducing the harmonic coefficient.

Сущность изобретения заключается в том/ что преобразователь постоянного напряжения в трехфазное квазисинусоидальное напряжение содержит основной и два вспомогательных однофазных инвертора/ выходы которых подключены к первичным обмоткам соответственно основного и двух вспомогательных трансформаторов/ крайние выводы обмотки основного трансформатора подключены через ключи переменного тока к каждому из выходных выводов преобразователя/ а ее промежуточный отвод соединен через последовательно соединенные вторичные обмотки вспомогательных трансформаторов и ключи переменного тока с каждым из выходных выводов преобразователя/ причем коэффициенты трансформации основного и вспомогательных трансформаторов относятся между собой как 16:3:1/ а промежуточный отвод вторичной обмотки основного трансформатора делит ее по числу витков в отношении 11:5. The essence of the invention lies in the fact that the DC-to-three-phase quasi-sinusoidal voltage converter contains the main and two auxiliary single-phase inverters / the outputs of which are connected to the primary windings of the main and two auxiliary transformers, respectively / the terminal leads of the main transformer winding are connected via alternating current keys to each of the output terminals the converter / a intermediate tap is connected through series-connected secondary windings of the auxiliary of transformers and alternating current switches with each of the output terminals of the converter / and the transformation ratios of the main and auxiliary transformers are related to each other as 16: 3: 1 / and the intermediate tap of the secondary winding of the main transformer divides it by the number of turns in the ratio of 11: 5.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает/ что заявляемый преобразователь отличается тем/ что коэффициенты трансформации основного и вспомогательных трансформаторов относятся между собой как 16:3:1/ а промежуточный отвод вторичной обмотки основного трансформатора делит ее по числу витков в отношении 11:5. Comparative analysis with the prototype shows / that the inventive converter is different in that / the transformation ratios of the main and auxiliary transformers are related to each other as 16: 3: 1 / and the intermediate tap of the secondary winding of the main transformer divides it by the number of turns in relation to 11: 5.

На фиг.1 представлена принципиальная схема силовой части преобразователя; на фиг.2 - принципиальная схема блока управления преобразователем; на фиг. 3 - диаграммы/ поясняющие принцип работы преобразователя; на фиг.4 - таблица истинности программируемого постоянного запоминающего устройства. Figure 1 presents a schematic diagram of the power part of the Converter; figure 2 is a schematic diagram of a control unit of the Converter; in FIG. 3 - diagrams / explaining the principle of operation of the converter; figure 4 is a truth table of programmable read-only memory.

Силовая часть преобразователя (фиг.1) содержит основной и два вспомогательных однофазных инвертора/ выполненных соответственно на ключах 1-4/ 5-8/ 9-12. Выходы инверторов нагружены на первичные обмотки основного и вспомогательных трансформаторов 13/ 14/ 15. Секции 16/ 17 основного трансформатора 13 и вторичные обмотки 18/ 19 вспомогательных трансформаторов 14/ 15 соединены между собой и подключены через ключи переменного тока 20-28 к выходным выводам А/ В/ С преобразователя. The power part of the Converter (figure 1) contains the main and two auxiliary single-phase inverters / made respectively on the keys 1-4 / 5-8 / 9-12. The inverter outputs are loaded on the primary windings of the main and auxiliary transformers 13/14/15. Sections 16/17 of the main transformer 13 and the secondary windings 18/19 of the auxiliary transformers 14/15 are interconnected and connected via alternating current keys 20-28 to output terminals A A / V converter.

Блок управления преобразователем (фиг.2) содержит задающий генератор 29/ выход которого подключен к входу двоичного счетчика импульсов 30 с коэффициентом пересчета/ равным 45. Выходы счетчика 30 нагружены на адресные входы программируемого постоянного запоминающего устройства 31. Выходы 32-46 последнего соединены через триггер 47/ логические элементы НЕ 48-57/ элементы 2-2И-2ИЛИ 58-62 и блок буферных усилителей 63 с управляющими входами силовых ключей преобразователя/ причем номера выходов блока 63 соответствуют номерам ключей/ к которым они подключены. The converter control unit (Fig. 2) contains a master oscillator 29 / the output of which is connected to the input of the binary pulse counter 30 with a conversion factor / equal to 45. The outputs of the counter 30 are loaded on the address inputs of the programmable read-only memory 31. The outputs 32-46 of the latter are connected via a trigger 47 / logic elements NOT 48-57 / elements 2-2I-2 OR 58-62 and a block of buffer amplifiers 63 with control inputs of the power switches of the converter / and the output numbers of the block 63 correspond to the numbers of the keys / to which they are connected.

На фиг. 3 диаграммы 64-87 представляют формы импульсов на выходах следующих элементов: 64 - задающего генератора 29/ 65-74 на выходах элементов 58-62 и 53-57 (импульсы управления ключами 1-12 основного и вспомогательных инверторов)/ 75-77 - трансформаторов 13-15/ 78-86 - на выходах 38-46 элемента 31 (импульсы управления ключами 20-28)/ 87 - преобразователя (форма выходного фазного напряжения). In FIG. 3 diagrams 64-87 represent the shape of the pulses at the outputs of the following elements: 64 - master oscillator 29 / 65-74 at the outputs of elements 58-62 and 53-57 (control pulses of keys 1-12 of the main and auxiliary inverters) / 75-77 - transformers 13-15 / 78-86 - at the outputs 38-46 of element 31 (pulse control keys 20-28) / 87 - converter (form of the output phase voltage).

Устройство работает следующим образом. Задающий генератор 29 формирует последовательность импульсов 64 (фиг.3)/ которая поступает на выход двоичного счетчика 30. С выхода счетчика 30 импульсы поступают на адресные входы программируемого постоянного запоминающего устройства 31/ логические состояния выходов 32-46 которого в зависимости от кода адреса представлены в таблице (фиг.4). Выходы элемента 31 нагружены на входы блока буферных усилителей 63/ причем уровень логического нуля на его входе обеспечивает закрытое состояние силового ключа преобразователя/ а уровень логической единицы - открытое. Полупериод выходного напряжения 87 преобразователя можно разделить на 45 равных интервалов/ что соответствует 45-ти логическим состояниям элемента 31. The device operates as follows. The master generator 29 generates a pulse train 64 (Fig. 3) / which is output to the binary counter 30. From the output of the counter 30, the pulses are fed to the address inputs of the programmable read-only memory 31 / which logical states of outputs 32-46 are presented in table (figure 4). The outputs of the element 31 are loaded on the inputs of the block of buffer amplifiers 63 / and the level of the logic zero at its input provides the closed state of the power switch of the converter / and the level of the logical unit is open. The half-period of the output voltage 87 of the converter can be divided into 45 equal intervals / which corresponds to the 45 logical states of element 31.

На первом интервале с выхода 32 элемента 31 сигнал логической единицы (таблица/ фиг.4) устанавливает триггер 47 в логическое состояние "1"/ которое сохраняется в течение первого полупериода выходного напряжения преобразователя. Выходные сигналы триггера 47 управляют работой элементов 58-62/ через которые проходят сигналы с выходов 33-37 на управляющие входы ключей 1-4 и 5-12 основного и вспомогательных инверторов. С выходов 33/ 34/ 36/ 37 элемента 31 сигналы логических единиц проходят через открытые сигналом триггера 47 элементы 58/ 59/ 61/ 62/ усиливаются блоком 63 и отпирают ключи 1/ 4/ 5/ 9/ 11 основного и вспомогательных инверторов. С выхода 35 сигнал логического нуля запирает элемент 60/ а следовательно/ и силовой ключ 7. Выходные сигналы элементов 58-62 инвертируются элементы 53-57 и отпирают силовой ключ 8/ запирают ключи 2/ 3/ 6/ 10/ 12. Сигналы логических единиц с выходов 40/ 41/ 45 элемента 31 отпирают ключи 22/ 23/ 27. Остальные ключи переменного тока 20/ 21/ 24-26/ 28 заперты сигналами логических нулей с выходов 38/ 39/ 42-44/ 46 элемента 31. Формирование импульсов управления силовыми ключами на следующих интервалах происходит аналогично описанному в соответствии с диаграммами 64-86 (фиг.3) и таблицей истинности элемента 31 (фиг.4). In the first interval from the output 32 of the element 31, the signal of the logical unit (table / Fig. 4) sets the trigger 47 to the logical state "1" / which is stored during the first half-period of the output voltage of the converter. The output signals of the trigger 47 control the operation of the elements 58-62 / through which the signals from the outputs 33-37 to the control inputs of the keys 1-4 and 5-12 of the main and auxiliary inverters pass. From the outputs 33/34/36/37 of the element 31, the signals of logical units pass through the elements 58/59/61/62 / opened by the trigger signal 47 and amplified by the block 63 and unlock the keys 1/4/5/9/11 of the main and auxiliary inverters. From the output 35, the logical zero signal locks the element 60 / and therefore / and the power switch 7. The output signals of the elements 58-62 invert the elements 53-57 and unlock the power switch 8 / lock the keys 2/3/6/10 / 12. Signals of logical units from the outputs 40/41/45 of the element 31, the keys 22/23/27 are unlocked. The remaining keys of the alternating current 20/21 / 24-26 / 28 are locked by signals of logical zeros from the outputs 38/39 / 42-44 / 46 of the element 31. Pulse generation power key management at the following intervals is similar to that described in accordance with diagrams 64-86 (figure 3) and the table and tinnosti member 31 (Figure 4).

В результате работы инверторов на обмотках трансформаторов 13-15 формируются напряжения 75-77 (фиг.3)/ а на фазе нагрузки/ соединенной звездой/ многоступенчатое напряжение 87. Для получения формы выходного напряжения/ представленной на диаграмме 87/ напряжения на каждой из секций 16/ 17 основного трансформатора 13 должны быть равны 11U и 5U/ а напряжения на каждой из вторичных обмоток 18/ 19 вспомогательных трансформаторов 14 и 15 соответственно 3U и U/ т.е. коэффициенты трансформации основного и вспомогательных трансформаторов относятся между собой как 16:3:1/ а промежуточный отвод вторичной обмотки основного трансформатора делит ее по числу витков в отношении 11:5. As a result of the inverters operating on the windings of transformers 13-15, voltages 75-77 are formed (Fig. 3) / a at the load phase / connected by a star / multi-stage voltage 87. To obtain the output voltage form / shown in the diagram 87 / voltage on each section 16 / 17 of the main transformer 13 must be equal to 11U and 5U / a of the voltage at each of the secondary windings 18/19 of the auxiliary transformers 14 and 15, respectively, 3U and U / i.e. transformation ratios of the main and auxiliary transformers are related to each other as 16: 3: 1 / and the intermediate tap of the secondary winding of the main transformer divides it by the number of turns in the ratio of 11: 5.

Силовая схема преобразователя работает следующим образом. The power circuit of the Converter operates as follows.

На первом интервале замыкают ключи 1/ 4/ 5/ 8/ 9/ 11/ 22/ 23/ 27 диаграммы 65/ 67/ 70/ 71/ 73/ 80/ 81/ 85. При этом напряжение на обмотке 19 равно нулю. Через замкнутые ключи 22/ 23 к выходным выводам А/ В преобразователя прикладывается алгебраическая сумма напряжений секции 16 основного трансформатора 13 и обмотки 18 вспомогательных трансформаторов 14/ равная 8U. К выводам В/ С через ключи 23/ 27 сумма напряжений секции 16/ 17 равная (-16U)/ а к выводам С/ А через ключи 27/ 22 сумма напряжений секции 17 и обмотки 18/ равная 8U. При этом фазные напряжения нагрузки/ соединенной звездой равны
U_A=

=

= 0
U_B=

=

= -8U
U_C= - (U_A+U_B) = 8U/ т.е. формируются нулевая/ 15-я отрицательная и 15-я положительная ступени фазных напряжений U_A, U_B, U_C.At the first interval, the keys 1/4/5/8/9/11/22/23/27 of the diagram 65/67/70/71/73/80/81/85 are closed. The voltage on the winding 19 is zero. Through closed keys 22/23, the algebraic sum of the voltages of section 16 of the main transformer 13 and the winding 18 of the auxiliary transformers 14 / is equal to 8U is applied to the output terminals of the A / V converter. To the B / C terminals through the keys 23/27, the sum of the voltages of the section 16/17 is equal to (-16U) / and to the C / A terminals through the keys 27/22 the sum of the voltages of the section 17 and the winding 18 / is equal to 8U. In this case, the phase voltages of the load / star connected are equal
U _A =

=

= 0
U _B =

=

= -8U
U _C = - (U _A + U _B ) = 8U / i.e. zero / 15th negative and 15th positive stages of phase voltages U _A , U _B , U _{C are formed} .

На втором интервале вместо ключа 9 замыкают ключ 10/ появляется напряжение на обмотке 18 вспомогательного трансформатора 14. Через ключи 22/ 23 к выводам А/ В прикладывается алгебраическая сумма напряжений секций 16 и обмоток 18/ 19/ равная 9U/ к выводам В/ С через ключи 23/ 27 вновь прикладывается сумма напряжений секций 16/ 17/ равная (- 16U)/ к выводам С/ А через ключи 27/ 22 сумма напряжений секции 17 и обмоток 18/ 19/ равная 7U. Фазные напряжения становятся равными

U,

U, т.е. формируются первая положительная/ 16-я отрицательная и 14-я положительная ступени фазных напряжений U_A, U_B, U_C.In the second interval, instead of the key 9, the key 10 is closed / the voltage appears on the winding 18 of the auxiliary transformer 14. Through the keys 22/23, the algebraic sum of the voltage of the sections 16 and the windings 18/19 / equal to 9U / is applied to the A / B terminals through the A / B terminals through switches 23/27 again apply the sum of the voltages of the sections 16/17 / equal to (- 16U) / to the terminals C / A through the keys 27/22 the sum of the voltages of the section 17 and windings 18/19 / equal to 7U. Phase voltages become equal

U

U, i.e. the first positive / 16th negative and 14th positive stages of phase voltages U _A , U _B , U _{C are formed} .

На следующих интервалах работа преобразователя происходит аналогично описанному в соответствии с диаграммами 64-87 (фиг.3) и таблицей истинности элемента 31 (фиг.4). At the following intervals, the operation of the converter occurs similarly to that described in accordance with diagrams 64-87 (Fig. 3) and the truth table of element 31 (Fig. 4).

Подключение любой ветви схемы с помощью управляемых ключей с двусторонней проводимостью обеспечивает возможность прохождения тока в двух направлениях и постоянство разности потенциалов фаз в течение каждого интервала. Это обуславливает работоспособность преобразователя при любом коэффициенте мощности нагрузки с неизменной формой кривой выходного напряжения. Connecting any branch of the circuit using controlled keys with two-sided conductivity provides the possibility of current flow in two directions and the constancy of the phase potential difference during each interval. This causes the inverter to operate at any load power factor with an unchanged shape of the output voltage curve.

Предлагаемый преобразователь имеет лучшую форму кривой выходного напряжения: 45 ступеней в полупериоде вместо 42 ступеней в прототипе без усложнения схемы преобразователя. The proposed converter has the best shape of the output voltage curve: 45 steps in the half-cycle instead of 42 steps in the prototype without complicating the converter circuit.

Claims

A DC / DC converter to a three-phase quasi-sinusoidal voltage, containing the main and two auxiliary single-phase inverters, the outputs of which are connected to the primary windings of the main and two auxiliary transformers, respectively, the extreme terminals of the secondary winding of the main transformer are connected via alternating current keys of the intermediate transformer to each of the output the tap is connected through series-connected secondary windings of auxiliary transformers and keys alternating current with each of the output outputs of the converter, characterized in that the transformation ratios of the main and auxiliary transformers are correlated as 16: 3: 1, and the intermediate tap of the secondary winding of the main transformer divides it by the number of turns in a ratio of 11: 5.