RU2426216C1

RU2426216C1 - Three-phase inverter

Info

Publication number: RU2426216C1
Application number: RU2010105573/07A
Authority: RU
Inventors: Олег Владимирович Григораш (RU); Олег Владимирович Григораш; Юрий Петрович Сепура (RU); Юрий Петрович Сепура; Евгений Анатольевич Власенко (RU); Евгений Анатольевич Власенко; Антон Евгеньевич Усков (RU); Антон Евгеньевич Усков; Юлия Васильевна Шиян (RU); Юлия Васильевна Шиян
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2010-02-16
Publication date: 2011-08-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: device comprises inverters and a transformer, besides, it includes a control system, and a power transformer is a single-phase-three-phase transformer with a rotary magnetic field with two primary windings, every of which has a middle point and three secondary windings displaced relative to each other by 120°, connected as delta, outputs of which are outputs of the inverter for connection of a three-phase load, besides, the first input terminal of the three-phase inverter is connected with an emitter-collector transitions of transistors in the first and second single-phase inverters, emitters of the first and second transistors of the first single-phase inverter are connected to the beginning and the end, accordingly, of the first primary winding of the transformer, and emitters of the first and second transistors of the second single-phase inverter with the beginning and the end of, accordingly, the second primary winding of the transformer, the second input terminal of the three-phase inverter is connected to the middle points of the first and second primary windings of the transformer, the control system of the three-phase inverter comprises a sawtooth oscillator, a phase-shifting device, a transformer-rectifier unit, the first and second pulse shapers, the first and second pulse distributors.

EFFECT: increased reliability of the three-phase inverter and reduced level of electric noise.

3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автономных системах электроснабжения для преобразования постоянного тока в трехфазную симметричную систему напряжений переменного тока.The invention relates to electrical engineering and can be used in stand-alone power supply systems for converting direct current into a three-phase symmetrical system of AC voltages.

Известен преобразователь напряжения (а.с. СССР №944027), содержащий однофазный инвертор, многосекционный трансформатор, ключи переменного тока. Недостатками являются низкое качество выходного напряжения и сложность системы управления.Known voltage converter (AS USSR No. 944027), containing a single-phase inverter, multi-section transformer, alternating current switches. The disadvantages are the low quality of the output voltage and the complexity of the control system.

Наиболее близким по техническому решению является преобразователь напряжения постоянного тока в трехфазное переменное, выполненный на базе трех мостовых однофазных транзисторных инверторах и трехфазного трансформатора (Моин B.C. Стабилизированные трехфазные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с.314). Недостатками преобразователя являются низкая надежность и высокий уровень помех из-за большого числа транзисторных ключей, сложная система управления.The closest in technical solution is a DC-DC voltage converter into a three-phase alternating current, based on three bridge single-phase transistor inverters and a three-phase transformer (Moin B.C. Stabilized three-phase converters. - M .: Energoatomizdat, 1986, p. 314). The disadvantages of the converter are low reliability and a high level of interference due to the large number of transistor switches, a complex control system.

Техническим решением поставленной задачи является повышение надежности работы трехфазного инвертора и уменьшение уровня электрических помех.The technical solution to this problem is to increase the reliability of the three-phase inverter and reduce the level of electrical noise.

Поставленная задача достигается тем, что в трехфазном инверторе, содержащем однофазные инверторы и трансформатор, согласно изобретению имеется система управления, а в качестве силового трансформатора использован однофазно-трехфазный трансформатор с вращающимся магнитным полем с двумя первичными обмотками, каждая из которых имеет среднюю точку, и три вторичные обмотки, сдвинутые друг относительно друга на 120°, соединенные по схеме «звезда», выводы которых являются выводами инвертора для подключения трехфазной нагрузки, причем первый входной зажим трехфазного инвертора соединен с эмиттер-коллекторными переходами транзисторов первого и второго однофазных инверторов, эмиттеры первого и второго транзисторов первого однофазного инвертора соединены с началом и концом соответственно первой первичной обмотки трансформатора, а эмиттеры первого и второго транзисторов второго однофазного инвертора - с началом и концом соответственно второй первичной обмотки трансформатора, второй входной зажим трехфазного инвертора соединен со средними точками первой и второй первичных обмоток трансформатора, система управления трехфазным инвертором содержит генератор пилообразного напряжения, фазосдвигающее устройство, трансформаторно-выпрямительный блок, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй распределители импульсов, причем первый выход генератора пилообразно напряжения соединен с первым входом первого формирователя импульсов, на второй вход которого поступает сигнал с первого выхода трансформаторно-выпрямительного блока, выход первого формирователя импульсов через первый распределитель импульсов соединен с управляющими электродами первого и второго транзисторов первого однофазного инвертора, второй выход генератора пилообразного напряжения соединен с первым выходом фазосдвигающего устройства, выход которого соединен с первым входом второго формирователя импульсов, второй вход фазосдвигающего устройства соединен с входом трансформаторно-выпрямительного блока и выходными зажимами трехфазного инвертора, второй вход второго формирователя импульсов соединен со вторым выходом трансформаторно-выпрямительного блока, выход второго формирователя импульсов через второй распределитель импульсов соединен с управляющими электродами первого и второго транзисторов второго однофазного инвертора.The problem is achieved in that in a three-phase inverter containing single-phase inverters and a transformer, according to the invention, there is a control system, and as a power transformer a single-phase-three-phase transformer with a rotating magnetic field with two primary windings, each of which has a midpoint, and three secondary windings shifted by 120 ° relative to each other, connected according to the "star" scheme, the terminals of which are the inverter outputs for connecting a three-phase load, the first the travel clamp of the three-phase inverter is connected to the emitter-collector junctions of the transistors of the first and second single-phase inverters, the emitters of the first and second transistors of the first single-phase inverter are connected to the beginning and end of the first primary winding of the transformer, and the emitters of the first and second transistors of the second single-phase inverter are connected to the beginning and end respectively the second primary winding of the transformer, the second input terminal of the three-phase inverter is connected to the midpoints of the first and second primary transformer windings, a three-phase inverter control system comprises a sawtooth generator, a phase shifter, a rectifier-rectifier unit, a first and second pulse shaper, a first and second pulse distributor, the first output of a sawtooth voltage generator being connected to the first input of the first pulse shaper, to the second input of which a signal comes from the first output of the transformer-rectifier unit, the output of the first pulse shaper through the first distributor pulses are connected to the control electrodes of the first and second transistors of the first single-phase inverter, the second output of the sawtooth generator is connected to the first output of the phase-shifting device, the output of which is connected to the first input of the second pulse shaper, the second input of the phase-shifting device is connected to the input of the transformer-rectifier unit and the output terminals of the three-phase inverter, the second input of the second pulse former is connected to the second output of the transformer-rectifier unit , A second pulse shaper output from the second pulse distributor coupled to the control electrodes of the first and second transistors of the second single-phase inverter.

Новизна технического решения заключается в том, что вместо однофазных инверторов и силового трехфазного трансформатора используется два однофазных инвертора, с однофазно-трехфазным трансформатором с вращающимся магнитным полем с двумя первичными обмотками, каждая из которых имеет среднюю точку, а также систему управления, обеспечивающую работу однофазных инверторов, в том числе стабилизацию выходного напряжения.The novelty of the technical solution lies in the fact that instead of single-phase inverters and a power three-phase transformer, two single-phase inverters are used, with a single-phase-three-phase transformer with a rotating magnetic field with two primary windings, each of which has a midpoint, as well as a control system that ensures the operation of single-phase inverters , including stabilization of the output voltage.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная электрическая схема трехфазного инвертора; на фиг.2 - диаграмма напряжений, поясняющая принцип работы трехфазного инвертора; на фиг.3 - схема обмоток трансформатора с вращающимся магнитным полем.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a functional electrical diagram of a three-phase inverter; figure 2 is a voltage diagram explaining the principle of operation of a three-phase inverter; figure 3 - diagram of the transformer windings with a rotating magnetic field.

По данным научно-технической и патентной литературы авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.According to the scientific, technical and patent literature, the authors are not aware of the claimed combination of features aimed at achieving the task, and this solution does not follow clearly from the prior art, which allows us to conclude that the solution corresponds to the level of the invention.

Трехфазный инвертор состоит из: однофазно-трехфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем, который содержит две первичные обмотки 1 и 2, с выводами 3, 4, 5 и 6, 7, 8 соответственно, размещенные на тороидальной части и сдвинутые в пространстве друг относительно друга под углом 90°. Средние точки первичных обмоток 4 и 7 соединены между собой и подключены к отрицательной клемме 9 источника постоянного тока, начала 3, 6 и концы 5, 8 первичных обмоток 1 и 2 через транзисторные ключи 10, 11 и 12, 13 подключены к положительной клемме 14. Три вторичные обмотки 15, 16, 17 размещены под углом 120° и соединены по схеме «звезда». Система управления 18 содержит генератор пилообразного напряжения 19, подключенный к первому формирователю импульсов 20 и фазосдвигающему устройству 21, вход трансформаторно-выпрямительного блока 22 подключен к выходам трехфазного инвертора 23, 24, 25, также к выходам подключено и фазосдвигающее устройство 21. На второй вход формирователя импульсов 20 подключен трансформаторно-выпрямительный блок 22, а к выходу - распределитель импульсов 26, который, в свою очередь, подключен к управляющим входам транзисторов 10, 11. Входы второго формирователя импульсов 27 подключены к фазосдвигающему устройству 21 и к трансформаторно-выпрямительному блоку 22, выход формирователя импульсов 27 подключен к входу распределителя импульсов 28, выходы которого, в свою очередь, подключены к управляющим входам транзисторов 12, 13.A three-phase inverter consists of: a single-phase-three-phase transformer with a rotating magnetic field, which contains two primary windings 1 and 2, with terminals 3, 4, 5 and 6, 7, 8, respectively, located on the toroidal part and shifted in space relative to each other under angle of 90 °. The midpoints of the primary windings 4 and 7 are interconnected and connected to the negative terminal 9 of the DC source, the beginning 3, 6 and the ends 5, 8 of the primary windings 1 and 2 are connected to the positive terminal 14 through transistor switches 10, 11 and 12, 13. Three secondary windings 15, 16, 17 are placed at an angle of 120 ° and are connected according to the "star" scheme. The control system 18 contains a sawtooth voltage generator 19 connected to the first pulse shaper 20 and the phase shifter 21, the input of the transformer-rectifier block 22 is connected to the outputs of the three-phase inverter 23, 24, 25, and the phase shifter 21 is also connected to the outputs. To the second input of the shaper pulses 20 are connected to a transformer-rectifier unit 22, and to the output is a pulse distributor 26, which, in turn, is connected to the control inputs of transistors 10, 11. Inputs of the second pulse shaper Buses 27 are connected to the phase shifter 21 and to the transformer-rectifier unit 22, the output of the pulse shaper 27 is connected to the input of the pulse distributor 28, the outputs of which, in turn, are connected to the control inputs of the transistors 12, 13.

Трехфазный инвертор работает следующим образом. Напряжение источника постоянного тока подается к входным зажимам 9, 14, которые являются входами первого и второго однофазных инверторов. При переменной работе транзисторов 10 или 11 первого однофазного инвертора и 12 или 13 второго однофазного инвертора в первичных обмотках протекает пульсирующий ток, который наводит переменный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора с вращающимся магнитным полем (фиг.2, д, и), и создают таким образом круговое вращающееся магнитное поле (фиг.2, к), действие которого наводит трехфазную ЭДС на выходе трехфазного инвертора. При дестабилизирующих факторах на выходных зажимах 23, 24, 25 система управления 18 обеспечивает стабилизацию выходного напряжения. Система управления работает следующим образом. Генератор пилообразного напряжения 19 генерирует опорный сигнал u_ГПН (фиг.2, а), который поступает на формирователь импульсов 20 и фазосдвигающее устройство 21. На второй вход формирователя импульсов 20 поступает ведущий сигнал u_ТВБ от трансформаторно-выпрямительного блока 22 (фиг.2, а). В случае, когда u_ГПН>u_ТВБ, формируется управляющий сигнал u_ФИ1 (фиг.2, б), который через распределитель импульсов 26 поступает на управляющие электроды транзистора 10 или 11 (фиг.2, в, г). Фазосдвигающее устройство 21 осуществляет электрический сдвиг опорного сигнала u_ГПН на 90° (фиг.2, е), в результате сдвигаются на 90° управляющие импульсы, поступающие на управляющие электроды транзистора 12 или 13 второго инвертора (фиг.2, ж, з), и в магнитопроводе трансформатора с вращающимся магнитным полем наводится круговое вращающееся магнитное поле (фиг.2, к).Three-phase inverter operates as follows. The voltage of the DC source is supplied to the input terminals 9, 14, which are the inputs of the first and second single-phase inverters. With the variable operation of transistors 10 or 11 of the first single-phase inverter and 12 or 13 of the second single-phase inverter, a pulsating current flows in the primary windings, which induces an alternating magnetic flux in the magnetic circuit of a transformer with a rotating magnetic field (Fig. 2, e, and), and thus create circular rotating magnetic field (figure 2, k), the action of which induces a three-phase EMF at the output of a three-phase inverter. With destabilizing factors at the output terminals 23, 24, 25, the control system 18 provides stabilization of the output voltage. The control system operates as follows. Sawtooth generator 19 generates a reference signal u _FPG (2, a), which is fed to pulse shaper 20 and phase shifter 21. The second input of the pulse shaper 20 receives the drive signal u _TVB of the transformer-rectifier unit 22 (Figure 2, but). In the case when u _GPN > u _TBB , a control signal u _{PHI1 is generated} (Fig.2, b), which through the pulse distributor 26 is supplied to the control electrodes of transistor 10 or 11 (Fig.2, c, d). Phase shifting device 21 carries out an electrical shift of the reference signal u _GPN by 90 ° (Fig.2, e), as a result, the control pulses supplied to the control electrodes of the transistor 12 or 13 of the second inverter are shifted by 90 ° (Fig.2, g, h), and in the magnetic circuit of a transformer with a rotating magnetic field, a circular rotating magnetic field is induced (FIG. 2, k).

К примеру, при уменьшении напряжения на выходе трехфазного инвертора сигнал u_ТВБ уменьшается (фиг.2, л) и, как следствие, уменьшается угол управления транзисторами α₁ (фиг.2, м), тем самым увеличивая время открытого состояния транзисторов однофазных инверторов, что увеличивает величину суммарного магнитного потока Ф_{сум.магн} (фиг.2, р) и соответственно выходное напряжение трехфазного инвертора. При этом фазосдвигающее устройство обеспечивает угол сдвига фаз между напряжениями первого и второго инверторов в 90°.For example, when the voltage at the output of a three-phase inverter decreases, the signal u of the _TBB decreases (Fig. 2, l) and, as a result, the control angle of transistors α ₁ decreases (Fig. 2, m), thereby increasing the open time of transistors of single-phase inverters, which increases the magnitude of the total magnetic flux _{f sum magn} ( _figure 2, p) and, accordingly, the output voltage of a three-phase inverter. In this case, the phase-shifting device provides a phase angle between the voltages of the first and second inverters of 90 °.

Использование однофазно-трехфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем с двумя первичными обмотками, каждая из которых имеет среднюю точку в составе схемы инвертора и систему управления, обеспечивающую работу однофазных инверторов, в том числе стабилизацию выходного напряжения, выгодно отличает его от известного, т.к. уменьшается число силовых ключей.The use of a single-phase-three-phase transformer with a rotating magnetic field with two primary windings, each of which has a midpoint in the inverter circuit and a control system that ensures the operation of single-phase inverters, including stabilization of the output voltage, distinguishes it from the known one, because the number of power keys decreases.

Claims

A three-phase inverter containing single-phase inverters and a transformer, characterized in that it has a control system, and a single-phase-three-phase transformer with a rotating magnetic field with two primary windings, each of which has a midpoint and three secondary windings shifted relative to each other, is used as a power transformer 120 ° of each other, connected according to the "star" scheme, the terminals of which are the inverter outputs for connecting a three-phase load, the first input terminal of a three-phase inverter being connected to emitter-collector junctions of the transistors of the first and second single-phase inverters, emitters of the first and second transistors of the first single-phase inverter are connected to the beginning and end of the first primary winding of the transformer, and emitters of the first and second transistors of the second single-phase inverter with the beginning and end, respectively, of the second primary transformer windings, the second input terminal of a three-phase inverter is connected to the midpoints of the first and second primary transformer windings, control system the phase-inverter contains a sawtooth generator, a phase shifter, a rectifier-rectifier unit, a first and second pulse shaper, a first and second pulse distributor, the first output of a sawtooth generator connected to the first input of the first pulse shaper, the second input of which receives a signal from the first output transformer-rectifier unit, the output of the first pulse shaper through the first pulse distributor is connected to the control electro the first and second transistors of the first single-phase inverter, the second output of the sawtooth generator is connected to the first output of the phase shifter, the output of which is connected to the first input of the second pulse shaper, the second input of the phase shifter is connected to the input of the transformer-rectifier unit and the output terminals of the three-phase inverter, the second input the second pulse shaper is connected to the second output of the transformer-rectifier unit, the output of the second pulse shaper is ithout second pulse distributor coupled to the control electrodes of the first and second transistors of the second single-phase inverters.