RU2531378C2

RU2531378C2 - Three-phase voltage inverter with transformer output

Info

Publication number: RU2531378C2
Application number: RU2012152795/07A
Authority: RU
Inventors: Виталий Рейнгольдович Берг; Сергей Николаевич Бродников; Анатолий Анатольевич Кудряшев; Владимир Викторович Михеев; Геннадий Сергеевич Мыцык
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации; Открытое акционерное общество "Головное особое конструкторское бюро "Прожектор" (ОАО "ГОКБ "Прожектор")
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2014-10-20
Also published as: RU2012152795A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention is related to power conversion equipment and may be used for design of three-phase inverters in systems of primary and redundant power supply for self-sustained facilities where voltage level of the primary source requires its increase by transformer. The three-phase inverter comprising in-series inverter link made as three pairs of phase half blocks (two phase half blocks per a phase), transformer link and three-phase output filter as well as the main control unit the inverter link is made as two three-phase inverter bridge blocks (with three key stacks in each bridge), each key stack of the same phase forms a phase half block, besides, it is equipped with three dual-winding transformer filters and three-phase transformer, at that a pair of in-series windings of each transformer filter is coupled between the same-phase outputs of the three-phase inverter bridge blocks, connection points of these two windings in each transformer filter form the three resultant outputs, which are coupled to the three-phase filter with output leads coupled to the primary three-phase winding of the matching transformer while output leads of the three-phase inverter are formed by the secondary three-phase winding.

EFFECT: operation without additional losses resultant from higher voltage harmonics of the three-phase transformer as well as non-availability of peak overvoltage at elements of the three-phase inverter induced by leakage inductance of the transformer filter windings and three-phase transformer windings as far as due to different topology of the inverter link there is no pulsating current in them.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано при построении трехфазных инверторов в системах как основного, так и резервного электропитания автономных объектов, где уровень напряжения первичного источника требует повышения его трансформаторным путем.The invention relates to the field of power converting equipment and can be used in the construction of three-phase inverters in both main and backup power systems of autonomous objects, where the voltage level of the primary source requires increasing it by transformer way.

Известен трехфазный инвертор напряжения, в принципе позволяющий решить данную задачу с некоторыми ограничениями - см. рис.9.12 на стр.335 в [1]: Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат,1986. - 376 с. Его силовая часть содержит два трехфазных инверторных моста, выходы каждого из которых подключены к первичным обмоткам одного из двух трехфазных трансформаторов. При этом два комплекта вторичных обмоток у одного из трансформаторов выполнены по схеме «зигзаг» и соединены пофазно последовательно с комплектом вторичных обмоток второго трансформатора, образуя выходные выводы трехфазного инвертора. Его фазные выходные напряжения имеют многоступенчатую форму (в виде 6 равновременных интервалов квантования напряжения на полупериоде) с коэффициентом гармоник К_Г(U)=0,15. Ближайшей высшей гармоникой в спектре напряжения, на которую рассчитывается выходной фильтр, является 11-я гармоника. Известно, что установленная мощность этого фильтра тем меньше, чем больше номер этой высшей гармоники. При выходной частоте 50 Гц масса фильтра здесь оказывается значительной - это первый недостаток данного решения. Второй его недостаток заключается в ограниченных функциональных возможностях - в [1] отсутствует информация о возможности регулирования выходного напряжения в этом инверторе, так что эта задача должна решаться дополнительно.A three-phase voltage inverter is known, which in principle allows this problem to be solved with some restrictions - see Fig. 9.12 on page 335 in [1]: Moin BC Stabilized transistor converters. - M .: Energoatomizdat, 1986. - 376 p. Its power part contains two three-phase inverter bridges, the outputs of each of which are connected to the primary windings of one of the two three-phase transformers. In this case, two sets of secondary windings for one of the transformers are made according to the zigzag circuit and are connected in phase with the set of secondary windings of the second transformer in phase, forming the output terminals of a three-phase inverter. Its phase output voltages have a multistage form (in the form of 6 equal-time intervals of voltage quantization at the half-cycle) with a harmonic coefficient K _{G (U)} = 0.15. The closest higher harmonic in the voltage spectrum for which the output filter is calculated is the 11th harmonic. It is known that the installed power of this filter is the smaller, the higher the number of this higher harmonic. At an output frequency of 50 Hz, the filter mass here is significant - this is the first drawback of this solution. Its second drawback lies in limited functionality - in [1] there is no information about the possibility of regulating the output voltage in this inverter, so this problem must be solved additionally.

Наиболее близким по технической сущности решением является трехфазный инвертор напряжения, описанный на стр.5÷11 в [2]: журнал «Практическая силовая электроника», №5, 2005 г. Трехфазный инвертор выполнен в виде трех фазных блоков. Каждый фазный блок инвертора выполнен в виде двух фазных полублоков, каждый из которых содержит 6 соединенных последовательно по выходу и синхронно работающих инверторных ячеек по нулевой схеме. В целом инвертор содержит 36 инверторных ячеек. Выходы фазных полублоков в каждой фазе соединены последовательно. Алгоритм управления ключевыми элементами инверторных ячеек задается блоком управления, который формирует две трехфазные системы сигналов с ШИМ, сдвинутые между собой по фазе на тактовой частоте f_T на угол π, а внутри каждой трехфазной системы - на выходной частоте f₂ на угол 2π/3. Таким образом, формирование выходного фазного напряжения в каждом фазном полублоке осуществляется по алгоритму двухполярной ШИМ (ДШИМ) по синусоидальноиу закону, но с фазовым сдвигом сигналов управления между фазными полублоками на угол π на тактовой частоте f_T. Поскольку выходы фазных полублоков соединены последовательно, то в результате суммирования двух напряжений с ДШИМ результирующее напряжение в каждом фазном блоке получается со значительно меньшими искажениями и имеет вид сигнала с однополярной ШИМ (ОШИМ) с частотой квантования импульсов в нем 2f_T. Наряду с известными достоинствами нулевые инверторные ячейки, на которых построен этот трехфазный инвертор напряжения, имеют следующий недостаток. Две первичные обмотки их трансформаторов работают попеременно. Из-за прерывания в них токов с тактовой частотой f_T на ключевых элементах возникают импульсные перенапряжения, обусловленные индуктивностями рассеяния этих обмоток. Работоспособность инверторной ячейки достигается введением специальных схемотехнических средств (называемых снабберными устройствами), нейтрализующих эти перенапряжения. Фактически их функциональная надежность определяет и надежность инвертора в целом. Кроме того, использование этих средств отрицательно сказывается и на КПД инвертора.The solution closest in technical essence is a three-phase voltage inverter, described on pages 5–11 in [2]: the journal Practical Power Electronics, No. 5, 2005. Three-phase inverter is made in the form of three phase blocks. Each phase block of the inverter is made in the form of two phase semiblocks, each of which contains 6 inverter cells connected in series at the output and synchronously operating in accordance with the zero circuit. In total, the inverter contains 36 inverter cells. The outputs of the phase semiblocks in each phase are connected in series. The control algorithm for the key elements of the inverter cells is set by the control unit, which generates two three-phase signal systems with PWM, phase-shifted at a clock frequency f_T at an angle π, and inside each three-phase system - at the output frequency f₂ at an angle of 2π / 3.Thus, the formation of the output phase voltage in each phase semiblock is carried out according to the bipolar PWM (LWM) algorithm according to a sinusoidal law, but with a phase shift of the control signals between the phase semiblocks by an angle π at the clock frequency f_T. Since the outputs of the phase semiblocks are connected in series, as a result of summing the two voltages with the LWM, the resulting voltage in each phase block is obtained with significantly less distortion and has the form of a signal with a unipolar PWM (OSHM) with a pulse quantization frequency of 2f_T. Along with the well-known advantages, the zero inverter cells on which this three-phase voltage inverter is built have the following disadvantage. The two primary windings of their transformers operate alternately. Due to the interruption of currents with a clock frequency f_T On the key elements, surge voltages occur due to the scattering inductances of these windings. The efficiency of the inverter cell is achieved by the introduction of special circuitry (called snubber devices) that neutralize these overvoltages. In fact, their functional reliability determines the reliability of the inverter as a whole. In addition, the use of these tools adversely affects the efficiency of the inverter.

Вторым недостатком являются повышенные потери в трансформаторах инверторных ячеек. Поскольку они работают при резко несинусоидальном напряжении, то потери в магнитопроводе имеют повышенное значение (в результате перемагничивания стали магнитопровода по серии частных циклов, обусловленных высшими гармониками напряжения), а высшие гармоники тока в обмотках трансформатора создают дополнительные потери, вызванные поверхностным эффектом.The second disadvantage is the increased losses in the transformers of the inverter cells. Since they operate at a sharply non-sinusoidal voltage, losses in the magnetic circuit are of increased importance (as a result of magnetization reversal of the magnetic circuit steel through a series of partial cycles caused by higher voltage harmonics), and higher current harmonics in the transformer windings create additional losses caused by the surface effect.

Таким образом, недостатками этого решения-прототипа является его структурная (и технологическая) сложность, а также невысокие КПД и надежность.Thus, the disadvantages of this prototype solution is its structural (and technological) complexity, as well as low efficiency and reliability.

Технический эффект, который может быть получен при использовании изобретения, достигается тем, что в трехфазном инверторе напряжения, содержащем последовательно включенные инверторное звено, выполненное в виде трех пар фазных полублоков (по два фазных полублока на фазу), трансформаторное звено и трехфазный выходной фильтр, а также основной блок управления, формирующий две трехфазные системы сигналов с широтно-импульсной модуляцией, сдвинутые на тактовой частоте f_T на угол π, для управления ключевыми элементами фазных полублоков, инверторное звено выполнено в виде двух трехфазных инверторных мостов (с тремя стойками ключей в каждом мосте), каждая одноименная по фазе стойка ключей которых образует фазный полублок, кроме того, он снабжен тремя двухобмоточными трансфильтрами и трехфазным трансформатором, причем пара последовательно соединенных обмоток каждого из трех трансфильтров включена между одними одноименными по фазе выходными выводами трехфазных инверторных мостов, точки соединения этих двух обмоток в каждом трансфильтре образуют три результирующих вывода, которые подключены к трехфазному фильтру, выходные выводы которого подсоединены к первичной трехфазной обмотке согласующего трансформатора, а выходные выводы трехфазного инвертора образованы вторичной трехфазной обмоткой.The technical effect that can be obtained by using the invention is achieved by the fact that in a three-phase voltage inverter containing a series-connected inverter unit made in the form of three pairs of phase half-blocks (two phase half-blocks per phase), a transformer link and a three-phase output filter, and also the main control unit, forming two three-phase signal systems with pulse-width modulation, shifted at a clock frequency f_T at an angle π, to control the key elements of the phase semiblocks, inverter link made in the form of two three-phase inverter bridges (with three key stands in each bridge), each key of the same name in phase forms a phase half block, in addition, it is equipped with three two-winding transfilters and a three-phase transformer, and a pair of series-connected windings of each of the three transfilters is included between the same in phase output terminals of three-phase inverter bridges, the connection points of these two windings in each transfilter form three resulting outputs, which are connected enes to three phase filter, whose output terminals are connected to the three-phase primary winding of the matching transformer, and output terminals of the three-phase inverter formed by the three-phase secondary winding.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 показана силовая часть трехфазного инвертора с функциональной блок-схемой системы управления; на фиг.2 приведены осциллограммы выходного напряжения трехфазного инвертора до фильтра (вверху) и после фильтра (внизу), а также ток активно-индуктивной нагрузки (внизу).The invention is illustrated by drawings: in Fig.1 shows the power part of a three-phase inverter with a functional block diagram of a control system; figure 2 shows the oscillograms of the output voltage of a three-phase inverter before the filter (above) and after the filter (below), as well as the current of the active-inductive load (bottom).

Трехфазный инвертор напряжения с трансформаторным выходом на фиг.1 содержит два трехфазных инвертора напряжения 1 (ТИН1) и 2 (ТИН2) с индивидуальными фазными выходными выводами A1, B1, С1 и А2, В2, С2, двухобмоточные трансфильтры 3 (TF_A), 4 (TF_B), 5 (TF_C), каждый с двумя обмотками, соединенными последовательно, выходной трехфазный фильтр на трех дросселях индуктивности 6, 7, 8 и трех конденсаторах 9, 10, 11. Выходные выводы 12, 13, 14 трехфазного фильтра подключены к первичной трехфазной обмотке 15 трехфазного трансформатора 16, вторичная трехфазная обмотка которого 17 через фазные датчики тока 18 подключена к выходным выводам 19 (А), 20 (В), 21 (С). Между одноименными фазными выводами А1 и А2, В1 и В2, С1 и С2 инверторов 1, 2 включены пары последовательно соединенных обмоток соответствующих трансфильтров 3, 4, 5. Точки соединения обмоток в каждом из трансфильтров образуют промежуточные результирующие выводы двух трехфазных инверторов 1, 2, к которым подключены одни концы обмоток дросселей индуктивностей 6, 7, 8, другие концы которых образуют предварительные (с учетом фильтров) выводы 12 (А₀), 13 (В₀), 14 (С₀) двух трехфазных инверторов 1, 2.The three-phase voltage inverter with transformer output in figure 1 contains two three-phase voltage inverters 1 (TIN1) and 2 (TIN2) with individual phase output terminals A1, B1, C1 and A2, B2, C2, two-winding transfilters 3 (TF _A ), 4 (TF _B ), 5 (TF _C ), each with two windings connected in series, a three-phase output filter on three inductors 6, 7, 8 and three capacitors 9, 10, 11. The output terminals 12, 13, 14 of a three-phase filter are connected to the primary three-phase winding 15 of the three-phase transformer 16, the secondary three-phase winding of which 17 through phase current sensors 18 is connected to the output terminals 19 (A), 20 (B), 21 (C). Between the same phase terminals A1 and A2, B1 and B2, C1 and C2 of inverters 1, 2, pairs of series-connected windings of the corresponding transfilters 3, 4, 5 are connected. The connection points of the windings in each of the transfilters form intermediate resulting outputs of two three-phase inverters 1, 2, to which one ends of the windings of the inductor chokes 6, 7, 8 are connected, the other ends of which form the preliminary (taking into account the filters) conclusions 12 (A ₀ ), 13 (B ₀ ), 14 (C ₀ ) of two three-phase inverters 1, 2.

Алгоритмическая характеристика трехфазного инвертора напряжения задается системой управления 22, которая содержит два основных блока управления: блок 23, управляющий трехфазным инвертором напряжения 1, и блок 24, управляющий трехфазным инвертором напряжения 2. Блоки 23, 24 выполнены аналогично и содержат трехфазные модуляторы ширины импульсов 25 (ТМШИ1), 26 (ТМШИ2), работа которых синхронизируется таймером 27. Распределение импульсов управления по ключевым элементам трехфазных инверторов обеспечивается логическими узлами 28, 29. Трехфазные модуляторы ширины импульсов 25, 26 реализуют так называемый «вертикальный принцип» управления, который заключается в сравнении высокочастотного (развертывающего) сигнала треугольной формы (тактовой частоты f_T) с низкочастотным трехфазным сигналом задания синусоидальной формы (выходной частоты трехфазного инвертора f₂), который формируется задатчиком трехфазного сигнала (ЗТС) 30. Принципиальным и существенным признаком системы управления является создание фазового сдвига между развертывающими сигналами модуляторов ширины импульсов на угол π (на частоте f_T), который реализуется таймером 27. Задатчик трехфазного сигнала 30 является общим для двух трехфазных модуляторов ширины импульсов. Более детально принцип построения системы управления 22 описан в [2]. Здесь указаны лишь существенные функциональные признаки системы управления.The algorithmic characteristic of a three-phase voltage inverter is set by the control system 22, which contains two main control units: a block 23, which controls a three-phase voltage inverter 1, and a block 24, which controls a three-phase voltage inverter 2. Blocks 23, 24 are made similarly and contain three-phase pulse width modulators 25 ( TMSHI1), 26 (TMSHI2), the operation of which is synchronized by a timer 27. The distribution of control pulses among the key elements of three-phase inverters is provided by logical nodes 28, 29. Three-phase modules pulse width tori 25, 26 implement the so-called "vertical principle" of control, which consists in comparing a high-frequency (expanding) signal of a triangular shape (clock frequency f_T) with a low-frequency three-phase signal for setting a sinusoidal shape (output frequency of a three-phase inverter f₂), which is formed by the three-phase signal master (ZTS) 30. A fundamental and essential feature of the control system is the creation of a phase shift between the deploying signals of the pulse width modulators by an angle π (at a frequency f_T), which is implemented by the timer 27. The three-phase signal generator 30 is common to two three-phase pulse width modulators. The principle of constructing a control system 22 is described in more detail in [2]. Only the essential functional features of the control system are indicated here.

При практической реализации система управления содержит также вспомогательный блок управления 31, в котором реализуются два контура отрицательной обратной связи (КООС) - по напряжению 32 (КООС1) и по току 33 (КООС2). Входным сигналом для узла 32 (КООС1) является выходной сигнал датчика трехфазного напряжения 34 (ДТН), а опорным (эталонным) - выходной сигнал задатчика уровня напряжения 35. Входным сигналом для узла 33 (КООС2) является выходной сигнал датчика трехфазного тока 18 (ДТ), а опорным (эталонным) - выходной сигнал задатчика уровня тока 36. Для суммирования выходных сигналов от узлов 32, 33 используется сумматор 37, выход которого подключен к управляющему входу задатчика трехфазного сигнала 30, предназначенного для регулирования его амплитуды.In practical implementation, the control system also contains an auxiliary control unit 31, in which two negative feedback loops (COOS) are implemented - voltage 32 (COOC1) and current 33 (COOC2). The input signal for node 32 (COOC1) is the output signal of the three-phase voltage sensor 34 (DTN), and the reference (reference) signal is the output signal of the voltage level adjuster 35. The input signal for node 33 (COOC2) is the output signal of the three-phase current sensor 18 (DT) and the reference (reference) signal is the output of the current level master 36. To summarize the output signals from nodes 32, 33, an adder 37 is used, the output of which is connected to the control input of the master of the three-phase signal 30, designed to control its amplitude.

Электропитание всех узлов системы управления обеспечивается блоком питания внутренних нужд (БПВН) 38.The power supply to all nodes of the control system is provided by the internal power supply unit (BPVN) 38.

Система управления 22 обеспечивает управление двумя трехфазными инверторами 1,2 с широтно-импульсной модуляцией по синусоидальному закону. Благодаря трансфильтрам 3, 4, 5 обеспечивается суммирование двух токов соответствующих фаз инверторов 1, 2 и формирование результирующего выходного трехфазного напряжения с улучшенным спектральным составом (фиг.1). После его фильтрации с помощью трехфазного фильтра на элементах 6÷11 к первичной трехфазной обмотке 15 трехфазного трансформатора 16 подается практически синусоидальное напряжения u₂(t), а в активно-индуктивной нагрузке (в конкретном примере cos φ₂₍₁₎=0,75) протекает синусоидальный ток. Таким образом, трехфазный трансформатор 16 работает фактически в идеальных условиях (без дополнительных потерь от высших гармоник напряжения). Этим достигается полезный технический результат в сравнении с прототипом. Что касается потерь в трансфильтрах, то доля их в общих потерях составляет единицы процентов от общих потерь в трехфазном инверторе напряжения, поскольку их габаритная мощность относительно габаритной мощности трехфазного трансформатора не превышает 4%.The control system 22 provides control of two three-phase inverters 1.2 with pulse-width modulation according to a sinusoidal law. Thanks to the transfilters 3, 4, 5, the summation of the two currents of the corresponding phases of the inverters 1, 2 and the formation of the resulting three-phase output voltage with improved spectral composition are ensured (Fig. 1). After filtering it with a three-phase filter on elements 6 ÷ 11, a practically sinusoidal voltage u ₂ (t) is applied to the primary three-phase winding 15 of the three-phase transformer 16, and in the active-inductive load (in the specific example, cos φ _{2 (1)} = 0.75 ) a sinusoidal current flows. Thus, the three-phase transformer 16 operates practically under ideal conditions (without additional losses from higher voltage harmonics). This achieves a useful technical result in comparison with the prototype. As for losses in transfilters, their share in total losses is units of percent of total losses in a three-phase voltage inverter, since their overall power relative to the overall power of a three-phase transformer does not exceed 4%.

Кроме того, полезный технический результат, который достигается в изобретении, обеспечивается также отсутствием импульсных перенапряжений на элементах трехфазного инвертора, вызываемых индуктивностями рассеяния обмоток трансфильтров 3, 4, 5 и обмоток 15, 17 трехфазного трансформатора 16, поскольку благодаря иной топологии инверторного звена (1, 2) в них отсутствует режим прерывистых токов.In addition, the useful technical result achieved in the invention is also ensured by the absence of surge voltages on the elements of the three-phase inverter caused by the scattering inductances of the windings of the transfilters 3, 4, 5 and windings 15, 17 of the three-phase transformer 16, because due to the different topology of the inverter unit (1, 2) there is no intermittent current mode.

Claims

A three-phase inverter containing a series-connected inverter unit made in the form of three pairs of phase half-blocks (two phase half-blocks per phase), a transformer link and a three-phase output filter, as well as the main control unit, which forms two three-phase signal systems with pulse-width modulation, shifted at clock f_T at an angle π, to control the key elements of the phase semiblocks, characterized the fact that the inverter link is made in the form of two three-phase inverter bridges (with three key racks in each bridge), each key of the same name in phase forms a phase semi-block, in addition, it is equipped with three double-winding transfilters and a three-phase transformer, and a pair of series-connected windings of each of the three transfilters is connected between the same phase outputs of the three-phase inverter bridges, the connection points of these two windings in each transformer form three resulting output terminals that are connected to a three-phase filter, the output terminals of which are connected to the primary three-phase winding of the matching transformer, and the output terminals of the three-phase inverter are formed by the secondary three-phase winding.