RU2489792C1

RU2489792C1 - Three-phase inverter

Info

Publication number: RU2489792C1
Application number: RU2011151213/07A
Authority: RU
Inventors: Олег Владимирович Григораш; Антон Евгеньевич Усков; Александр Геннадьевич Власов; Святослав Александрович Гордиенко
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2013-08-10
Also published as: RU2011151213A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: device has single-phase inverters, each consisting of two transistors, a transformer with a revolving magnetic field, a control system having a sawtooth voltage generator, phase-shifting devices, a transformer-rectifier unit, a first and a second pulse former, a first and a second pulse distributor, the control system further including a voltage sensor and a signal adder.

EFFECT: faster operation of the control system owing to monitoring the level of input voltage and adjusting control pulses relative the input voltage using a voltage sensor and a signal adder.

2 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.

Известно изобретение «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 invention is known "Converter of DC voltage into a three-phase alternating current", made on the basis of 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.

Наиболее близким по техническому решению является изобретение №2426216, опубл. 10.08.2011. Бюл. №22, Н02М 7/53 «Трехфазный инвертор», содержащий однофазные инверторы, каждый состоящий из двух транзисторов, трансформатор с вращающимся магнитным полем, систему управления, содержащую генератор пилообразного напряжения, фазосдвигающее устройство, трансформаторно-выпрямительный блок, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй распределители импульсов.The closest in technical solution is the invention No. 2426216, publ. 08/10/2011. Bull. No. 22, Н02М 7/53 "Three-phase inverter", containing single-phase inverters, each consisting of two transistors, a transformer with a rotating magnetic field, a control system containing a sawtooth voltage generator, phase shifting device, transformer-rectifier unit, the first and second pulse shapers, first and second pulse distributors.

Недостатком трехфазного инвертора является низкое быстродействие системы управления.The disadvantage of a three-phase inverter is the low speed of the control system.

Техническим результатом является увеличение быстродействия системы управления за счет осуществления контроля за уровнем входного напряжения и корректировки управляющих импульсов относительно входного напряжения при помощи датчика напряжения и сумматора сигналов.The technical result is to increase the speed of the control system by monitoring the level of the input voltage and adjusting the control pulses relative to the input voltage using the voltage sensor and the signal adder.

Поставленная задача достигается тем, что трехфазный инвертор, содержащий однофазные инверторы, каждый состоящий из двух транзисторов, трансформатор с вращающимся магнитным полем, систему управления, содержащую генератор пилообразного напряжения, фазосдвигающее устройство, трансформаторно-выпрямительный блок, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй распределители импульсов, причем однофазно-трехфазный трансформатор с вращающимся магнитным полем содержит две первичные обмотки, каждая из которых имеет среднюю точку и три вторичные обмотки, сдвинутые относительно друг 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, согласно изобретению система управления дополнительно содержит датчик напряжения и сумматор сигналов, вход датчика напряжения подключен к входным клеммам трехфазного инвертора, а его выход к первому входу сумматора сигналов, к второму входу сумматора сигналов подключен выход трансформаторно-выпрямительного блока, вход трансформаторно-выпрямительного блока подключен к трехфазному выходу трехфазного инвертора, первый выход сумматора сигналов подключен к первому входу первого формирователя импульсов, на второй вход которого подключен первый выход генератора пилообразного напряжения, второй выход генератора пилообразного напряжения через фазосдвигающее устройство подключен к второму входу второго формирователя импульсов к первому входу которого подключен второй выход сумматора напряжения, выход первого формирователя импульсов через распределитель импульсов подключен к управляющим электродам первого и второго транзисторов первого однофазного инвертора, а выход второго формирователя импульсов через второй распределитель импульсов подключен к управляющим электродам третьего и четвертого транзистора второго однофазного инвертора.This object is achieved in that a three-phase inverter containing single-phase inverters, each consisting of two transistors, a transformer with a rotating magnetic field, a control system containing a sawtooth voltage generator, a phase shifter, a transformer-rectifier unit, the first and second pulse shapers, the first and second pulse distributors, and a single-phase-three-phase transformer with a rotating magnetic field contains two primary windings, each of which has a midpoint three secondary windings shifted by 120 ° relative to each other, connected according to the "star" scheme, the terminals of which are inverter outputs for connecting a three-phase load, the first input terminal of a three-phase inverter connected to the emitter-collector junctions of the transistors of the first and second single-phase inverters, emitters of the first and the second transistors of the first single-phase inverter are connected to the beginning and end, respectively, of the first primary winding of the transformer, and the emitters of the first and second transistors of the second single-phase of the inverter with the beginning and end, respectively, of 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 windings of the transformer, according to the invention, the control system further comprises a voltage sensor and a signal adder, the input of the voltage sensor is connected to the input terminals of the three-phase inverter, and its output is to the first input of the signal adder, to the second input of the signal adder is connected the output of the transformer-rectifier unit, the input of the informator-rectifier unit is connected to the three-phase output of the three-phase inverter, the first output of the signal adder is connected to the first input of the first pulse shaper, the first output of which is connected to the first output of the sawtooth generator, the second output of the sawtooth generator through a phase shifter is connected to the second input of the second pulse shaper to the first input of which the second output of the voltage combiner is connected, the output of the first pulse shaper through the distributor pulses is connected to the control electrodes of the first and second transistors of the first single-phase inverter, and the output of the second pulse shaper by the second pulse distributor connected to the control electrodes of the third and the fourth transistor of the second single-phase inverter.

Новизна технического решения заключается в том, что использование датчика напряжения и сумматора сигналов в составе системы управления позволяет повысить быстродействие системы управления.The novelty of the technical solution lies in the fact that the use of a voltage sensor and an adder of signals as part of the control system can improve the speed of the control system.

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.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная электрическая схема трехфазного инвертора; на фиг.2 - диаграмма напряжений, поясняющая принцип работы трехфазного инвертора.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.

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 относительно друг 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, выход трансформаторно-выпрямительного блока 22 подключен к второму входу сумматора сигналов 26. Первый вход сумматора сигналов 26 через датчик напряжения 27 подключен к входным клеммам 9 и 14. На второй вход формирователя импульсов 20 подключен первый выход сумматора сигналов 26, а к выходу формирователя импульсов 20 подключен распределитель импульсов 28, который в свою очередь подключен к управляющим входам транзисторов 10, 11. Входы второго формирователя импульсов 29 подключены к фазосдвигающему устройству 21 и к второму выходу сумматора сигналов 26, выход формирователя импульсов 29 подключен к входу распределителя импульсов 30, 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 at an angle 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 a phase shifter 21, the input of the transformer-rectifier unit 22 is connected to the outputs of a three-phase inverter 23, 24, 25, the output of the transformer-rectifier block 22 is connected to the second input of the signal adder 26 The first input of the signal adder 26 through the voltage sensor 27 is connected to the input terminals 9 and 14. At the second input of the pulse shaper 20 is connected the first output of the signal adder 26, and the output is formed I pulses 20 is connected to the pulse distributor 28, which in turn is connected to the control inputs of the transistors 10, 11. The inputs of the second pulse shaper 29 are connected to the phase shifter 21 and to the second output of the signal adder 26, the output of the pulse shaper 29 is connected to the input of the pulse distributor 30, the outputs of which, in turn, are connected to the control inputs of transistors 12, 13.

Трехфазный инвертор работает следующим образом. Напряжение источника постоянного тока подается к входным зажимам 9, 14, которые являются входами первого и второго инверторов. При переменной работе транзисторов 10 или 11 и 12 или 13 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. Сумматор сигналов 26 выполняет функцию сравнения сигналов от трансформаторно-выпрямительного блока 22 и датчика напряжения 27, а также генерирование ведущего сигнала u_СС=(u_ДН+u_ГПН)/2. Система управления работает следующим образом. Генератор пилообразно 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_СС от сумматора сигналов 26 (фиг.2, а). В случае, когда U_ГПН>u_СС 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 inverters. With the variable operation of transistors 10 or 11 and 12 or 13, 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 a circular rotating magnetic field (Fig. 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 signal adder 26 performs the function of comparing the signals from the transformer-rectifier unit 22 and the voltage sensor 27, as well as generating a leading signal u _CC = (u _ДН + u _ГПН ) / 2. The control system operates as follows. The sawtooth voltage generator 19 generates a reference signal u _GPN (Fig. 2, a), which is supplied to the pulse shaper 20 and the phase shifter 21. The second signal shaper 20 receives the leading signal u _CC from the signal adder 26 (Fig. 2, a) . In the case when U _GPN > u _CC is formed, the control signal u _FI1 (Fig.2, b), which through the pulse distributor 26 is supplied to the control electrodes of the transistor 10 or 11 (Fig.2, c, d). The 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 (Fig. 2, g, h) are shifted by 90 ° in the magnetic circuit of a transformer with a rotating magnetic field, a circular rotating magnetic field is induced (figure 2, k).

К примеру, при уменьшении напряжения на выходе трехфазного инвертора сигнал u_ТВБ уменьшается, и, как следствие, уменьшается сигнал u_СС (фиг.2, л), а так же 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°. При уменьшении напряжения на входе трехфазного инвертора система управления работает аналогично, как и при уменьшении выходного напряжения, т.е. сигнал или уменьшается, и, как следствие, уменьшается сигнал u_СС (фиг.2, л), а так же 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, and, as a result, the signal u _CC decreases (figure 2, l), and the angle of control of transistors α ₁ decreases (figure 2, m), thereby increasing the open time of transistors of single-phase inverters, which increases the value of the total magnetic flux _{f sum magn} (Fig.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 °. When decreasing the voltage at the input of a three-phase inverter, the control system works in the same way as when decreasing the output voltage, i.e. the signal either decreases, and, as a consequence, the signal u _CC decreases (Fig. 2, l), and the control angle of transistors α ₁ also 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} (Fig.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 сумматора сигналов и датчика напряжения обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при дестабилизирующих факторах на входе и выходе трехфазного инвертора, что выгодно отличает его от известного, т.к. увеличивается быстродействие системы управления, и, как следствие, уменьшается время необходимое для стабилизации выходного напряжения.The use of a signal adder and a voltage sensor provides stabilization of the output voltage with destabilizing factors at the input and output of a three-phase inverter, which distinguishes it from the known one, because the speed of the control system increases, and, as a result, the time required to stabilize the output voltage decreases.

Claims

A three-phase inverter containing single-phase inverters, each consisting of two transistors, a transformer with a rotating magnetic field, a control system containing a sawtooth voltage generator, a phase shifter, a transformer-rectifier unit, the first and second pulse shapers, the first and second pulse distributors, and the single-phase a three-phase transformer with a rotating magnetic field contains two primary windings, each of which has a midpoint and three secondary windings shifted relative 120 ° apart, connected by a star circuit, the terminals of which are inverter outputs for connecting a three-phase load, the first input terminal of a three-phase inverter connected to the 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 the inverters are connected to the beginning and end of the first primary winding of the transformer, respectively, and the emitters of the first and second transistors of the second single-phase inverter with the beginning and end, respectively essentially 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 windings of the transformer, characterized in that the control system further comprises a voltage sensor and a signal adder, while the input of the voltage sensor is connected to the input terminals of the three-phase inverter, and output - to the first input of the signal adder, the output of the transformer-rectifier unit is connected to the second input of the signal adder, the input of the transformer-rectifier about the unit is connected to the three-phase output of the three-phase inverter, the first output of the signal adder is connected to the first input of the first pulse shaper, the first output of which is connected to the first output of the sawtooth voltage generator, the second output of the sawtooth voltage generator through a phase shifting device is connected to the second input of the second pulse shaper, to the first the input of which is connected to the second output of the voltage combiner, the output of the first pulse shaper through the pulse distributor is connected to the control the electrodes of the first and second transistors of the first single-phase inverter, and the output of the second pulse shaper through the second pulse distributor is connected to the control electrodes of the third and fourth transistor of the second single-phase inverter.