(54) ПРЕОБРАЗСВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В МНОГОФАЗНОЕ ПЕРЕМЕННОЕ
1Изобретениэ относитс к преобразовательной технике, в частности , к автономным тиристорным инверторам, осуществл ющим регупирсжание выходного напр жени и частоты с приближением формы кр1юой выходного напр жени к синусоидальной за счет применени широтно-импульсной модул ции (ШИМ). Известны Г11Й способы управлени тиристорами трехфазного инвертора, согласно которым осуществл етс ШИМ выходного напр жени инвертора путем соэдани в течение каждого полупериода числа И одинаковых пр моугольных импульсов , кратного трем, длительность которых равна длительности импульсов управлени , причем в качестве силовой схемы используест мостовой трехфазный инвертор, Так как в большинстве практических случаев нар5шу с регулированием выходного напр жени и частоты необходимо пр(жодить согласование величины напр жени источника питани инвертора и величины напр жени , требуемого на1 рузкой, что осуществлдаот включеш1ем между инвертором нагрузкой трехфазного трансформатора, то в области средних и нижних частот это приводит к возрастанию массо-габаритных показателей инвертора. Указанного недостатка лишен преобразсжатель посто нного напр жени в переменный наиболее близкий по технической сущности к предложенному, с так называемым йрбмежуточным звеном высокой частоты, содержащий пред1варительный одаофазный инвертор, промежуточный однофазный трансформатор с одной первичной и трем парами вторичных обмоток, которые включены между собой согласно и подключены к тиристорным коммутаторам , каждый из которых состоит из двух пар встречно-параллельно включенных тиристор ж. И;звествы системы управлени данным преобразователем з1,С41 , осуществл ющие изменение несущей частоты модул ции преобразсюател в функции его выходНОЙ частоты, включающие в себ задающий генератор, пересчетную скему с формироватеп ми модул ционных сигналов, схему управлени предварительным однофазным инвертором и усилительно-разв зьюаюшие узлы управлени тиристорами коммутатора. Однако система управлени 4 отличаетс повышенной точностью контрол выхойной частоты преобразовател в моме ты перехода от одного диапазона работы преобразовател к другсму, а также возможностью неоперативного изменени , частотного диапазона сигналов, сопровождени , поэтому ее будем рассматривать вкачестве прототипа системы управлени преобразователем.. , Недостатком преобразовател посто нного напр жени в переменный (с так назьюаемым промежуточным звеном высокой частоты и указанной систа 1ой управлени ) вл етс введение в силовую схему преобразовател датчиков направлени тока нагрузки с соответствующими усилител ми , а в каждый из шести усип тетп но-разв зьшающих узлов управлени тирис торами коммутатора по два формировател коротких импульсов управлени с вклю ченными на их входах схемами И, подключенных входами соответственно к датчикам тока, задающему генератору и схеме управлени однофазным инверторе с целью выработки от дополнительных формирователей в дискретные моменты времени коротких импульсов дл коммутации тирис торов коммутатора, обеспечиваклцих безав рийную работу инвертора на активно-индук тивную нагрузку. Это обсто тельство огра ничивает функдисиальные возможности пре образовател , так как определ ет его реализацию и настройку как замкнутой системы , повышает требовани к уровню помех устойчивости в св зи с наличием обратны св ёей силовой схемы преобразовател и системы управлени , что в свою очередь ограничивает величины формируемых напр жений , и кроме того, ограничивает диапазон регулировани выходной мощности преобразовател , особенно при переходе к малым значени м токов, в св зи с необходимостью повышать дл данного режима чувствительность датчиков. Нар ду с этим известно использование в непосредственных преобразовател х частоты 15 |бЗ дл принудительной коммуташш импульсного источника запирающего напр жени , который подключаетс к выходам посто нного тока вентильных мостов коммутатора через разделительные вентили, и применение которого в рассматриваемом преобразователе позволит реализшать его как разомкнутую систему. Однако ни силова схема преобразовател , ни его система управлени не обладают необходимыми функциональными возможност ми по его использованию. Целью насто щего изобретени $шл етс расширение его функциональных возможностей . Указанна цель достигаетс тем, что в преобразователе посто нного напр жени в многофазное переменное, например, трехфазное , содержащем однофазный инвертор, входные зажимы которого подключены к шинам источника питани , а выходные зажимы подключены к первичной обмотке трансформатора,в котором кажда из трех пар вторичных обмоток трансформатора соёдвне- ны последовательно согласно; с последующим пере соединением общих точек и подключением соответс-гаенно крайних зажимов обмоток к входным зажимам каждой в отдельности фаз тиристорного коммутатора, собранных по схеме однофазного мостсвого управл емого выпр мител , а также систему управлени , выполненную в виде последовательно св занных между собой задающего генератора и схемы управлени тиристорами инвертора, котора содержит усипитепьнО -разв зьюающие узлы управлени тиристорами коммутатора, св занные с задающим генератором через пересчетную схему с формировател ми модулирующих сигнале и схемой управлени тиристорами инвертора непосредственно, дополнительно введены в состав коммутатора три коммутирующих дроссел , подключенные парал 1ельно выходным зажимам каждой фазы коммутатора и содержащие промежуточный отвод дл подключени нагрузки, распределительные вентили и импульсный источник запирающего напр жени , при этом входные зa)имы импульсного источника запирающего напр жени подключены к входаым зажимам однофазного инвертора, а выходные зажимы поочередно с помощью каждых двух последующих распределительных вентилей подключены к выходным зажимам каждой фазы коммутатора. С цепью упрощени устройства импульсный источник запирающего напр жени выполнен на основе конденсатора, зашунтированного последовательно подключенными диодом и вспо гогательным дросселем, при конденсатор через второй отсекающий вентиль и второй вспомогательный дроссель подключен ко входным , а через коммутирующий тиристор к выходным зажимам импульсного источника .запирающего напр жени . Кроме того, в состав системы управпэ ни введен бпок управлени коммутационным тиристором импульсного источника запирающего напр жени , состо щий из последовательно включенных линии задерж ки и усилительно-разв зьюающего узла и подсоединенный к выходу задающего генератора. При работе преобразовател в области низких и инфранизких частот второй отсекающий вентиль импульсного источника -запирающего напр жени выполнен неуправ л емым, а при работе преобразовател в области повышенных частот он выполнен управл емым. На фиг. 1 приведена схема силовой части преобразовател посто нного напр жени в переменное многофазное, на фиг. 2 - система управлени , на фиг. 3 приведены временные диаграммы работы устройства. Силова часть преобразовател noдключaзvfый входными зажимами к шинам источника питани 1, 2 0|а офааный инвертор 3, например, мостовсл, с ранный на полностью управл емых ttipHCторах 4, 5, 6, 7с диодным мостом 4 7 обратнсго тока, трансформатор 8 с одной первичной 9 и трем парами вторич . ных обмоток 10-11, 12-13, 14-15, трехфазный тиристорный коммутатор 16, состо щий из трех однофазных мостовых управл емых выпр мителей 17-2О, 2124 , 25-28, три коммутирующих дроссел 29, ЗО, 31, содержащие промеиогточные отводы дл подключени нагрузки, соедиу венной например, в звезду, импульсный истспник запирающего напр жени 32, включающий в свой состав, коммутирующий конд«1сатор 33, который шунтирсван последовательно включенными диодс л 34 и , вспомогательным дросселем 35 и пошспк чен к шинам 1, 2 источника питани через отсекающий вентиль 36 и второй вспомогательный дроссель 37 и, кроме того, верхней пластиной подсоединен через коммутирующий тиристор 38 к анодам распределительных вентилей 39-41 и нижн пластиной - к катодам рас пред епитепь ных вентилей 42-44. Ниже перечисл емые узлы образуют систему управлени . Задающий гшератор 45 состоит из,непосредс1венно задаюшего генератора 46 формирующего, регулируемую по частоте последовательность коротких импульсов, делител частоты , представленного в виде трех последовательно включенных триггеров 47, 48,- 49 и блока переключени тактирующих импульсов 50, в состйв которого вход т: схйма выраб.отки 51 сигналов сопровождени F, три схемы И 52, 53, 54, схема . ИЛИ 55, пини задержки 56 и однс ибратор 57 с двум выходами. Пересчетна схема 58 выполнена в ввдв регистра сдвига (PC)и логических элементов ИЛИ 59 - 64. Схема управлени однофазным инвертором 65 состоит из триггера 66, двух формир жателей широких импульсов 67, 68, с включенными на их входах схемами И 69, 70 и трех формирователей корот ких импульсов управлени 71-73, из которых два последних включены через последовательно включенные линии задержки 74, 75. Блок управлени тиристор импульсн нх ) источника запирающего напр жени 76 состоит из последовательно включенной пинии задержки 77 и усилитепьно-разв зьгаающего узла управлени 78. Каждый из усилитепьно-разв зьшающих Уапев управлени тиристорами к(мутатора 79 - 84 состоит из формирователей широких импульсов управлени тиристорами коммутатора с включенными на их входах схемами И. Описываемый преобразователь посто нного напр жени в трехфазное переменное работает следующим образом. Непосредственнд задаюпшй генератор 46 системы управлени формирует последовательность импульсов, котора поступает на депитепь частоты. Делитель частоты 47 - 49 в свою очередь формирует три последовательности импульсов с частотой 24 f , 12 , 6f , где - выходна частота пре образоватеп , которые представлены соответс-шенно на фиг. За, б, в. Импульсы с выхода депитеп частоты с частотой 6 f поступают} на шести чейковый регистр сдвиге (PC), на выходах которого ны шесть схем формирователей модулир к&1их сигналов 59-64. На выходах схем 59-64 формируетс трехфазна система напр жений, сдвинутых между собой на 120° . На фиг. Зг, д, е приведены модулирующие напр жени на выходах нечет ных схем ИЛИ. Соответствующие модулирующие напр жени на выходах четных схем ИЛИ наход тс в протдаофазе приведенньшг напр жением. Конечный выход делител частоты 6f и его промежуточные отводы I2f , 24 подключены ко входу схемы ИЛИ 55 блока переключени тактирующих сигнале через схемы И 52-54, управление кото778 рыми осуществл ет скема выработки сиг4налов сопровождени Р. На вход скемы выработки сигналов сопровождени подключены выходы непосредственно задающего генератора и делител частоты. В общем случае схема выработки сигнале сопровождени включает в себ преобразователь частота-код, наборники кодов граничных частот переключени и комбинационную схему выработки непосредственно сигналов сопровождени диапазонов работы инвертора . Сигналом с выхода депитеп частоты синхронизируетс выработка команд сопр жождени . При этом в верхнет диапазоне частот схема выработки команд сопрсжождени блока 50 формирует единичный сигнал на выходе Р1 и нулевой на выходе Р2 - в результате на вход схемы ИЛИ 55 поступают только импульсы с частотой в . В среднем диапазоне час , тот на выходе Р1 формируетс нулевой сигнал, а на выходе Р2 единичный, - в результате на вход схемы ИЛИ 55 поступают только импульсы с частотой 12 . В нижнем диапазоне частот на выходах Р1 и Р2 формируютс нулевые сигналы, а так как на схему И 54 (см. фиг. 2) поданы инверсные сигналы, Р1 и P2| то на вход ИЛИ 35 поступают импульсы с частотой 24 f , Таким образом, схема выработки команд сопровождени измен ет в функции выходной частоты инвертора частоту следовани импульс ж с выхода схемы 55. Кроме того, ее выходы Р1 и Р2 поданы на вход однсеибратора 5 7, тем самым измен етс длительность несущих сигналов, формируемых одн(жибрато ром. .Дл примера рассмотрим работу преобразовател в диапазоне средних частот. В этом случае с выхода блока переключени тактирующих сигнале 50 (выход схемы 55) системы управлени выходные импульсы с частотой 12 f поступают на схему 65 управлени однофазным инверто ром . Графики напр жений на одном из выходо триггеров 66 и на первом выходе одновибратора 57 приведены на фиг. Зж,з Триггер 66 и одновнбратор 57 управл ют непосредственно работой схем ссжпа- дени 69, 70 блока 65, на выходах которых включены формирователи широких импульсо 67-68, осуществл ющие управление силовыми тиристорами 4, 5, 6, 7 однофазного инвертора . По второму выход рднсвибратора формируетс импульс, соютветствующий заднему фронту напр жени , снимаемого с однозибратора, который через линию задержки 74 поступает на 58 формирователь коротких импульсов 72 и через линию задержки 75 поступает на 73.- Таким образом, на выходах 67, 68, 71-73 формируетс необходима послэдо вательность широких и коротких импульсов управлени однофазным инвертором. Короткие импульсы управлени с блока 71 следуют на анодную пару 4, 6, ас блока 72 - на катодную пару тиристоров 5, 7 однофазного инвертора с цепью восстановлени их управл ющих свойств с помощью узпов их принудительного выключени . Длительность сигнала каждой из линий задержек 56, 74, 75 должна соот ветствовать времени восстановлени тиристоров , испульзуемых в инверторе. На фиг. 3 и приведено напр жение, формируемое на выходе однофазного инвертора, где указана диаграмма включени силовых тиристоров . Из нее следует, что во врем формировани нулевых пауз, по истечению времени восстановлени тиристоров 5 или 7, оюуществл етс запуск анодной пары силовых тиристоров 4, 6 с целью закорачивани первичной обмотки трансформатора по контуру 8-4-6, либо 8-6-41 благодаг р чему нбзависимо от параметров нагрузки и напр жени токо® возврата реактивной , энергии из нагрузки в источник на нагрузке формируетс нулевое напр жение. Перейдем к рассмотрению работы тиристорного коммутатора 16 преобразовател , на примере одной из фаз .коммутатора , собранной на тиристорах 17-20. Выработка импульсо з управлени , следующих на тиристоры 17-20, осуществл етс дву-+м идентичными блоками 79, 80 с формирователей широких импульсов управлени . В состав блоков 79 и 80 вход т формирсоатели 85-88 и схемы совпадени 89-92, которые управл ют формировател ми широких импульсов управлени . Первые входы схеМй9-92 запитаны от первого выхода одновибратора, вторыевходы поочередно подключены к выходам триггера 66, а третьи - к выходам формирователей модулирующих сигналов пересчетной схемы. Импульсы управлени , поступающие на тиристоры 17-20 с формирователей 85-88, приведены на фиг. 3м, н, о, р. При этом, в соответствии с напр жением , формируемым на выходе однофазного инвертора и поступающими импульсами управлени на тиристоры 17-20, потенииал выходного зажима данной фазы инвертора представл ет собой шесть последовательностей положит-ельных импульсов в одной полуволне и шесть последовательностей импульсов во второй полу97 вопне (см. Kpjroyro. потенциапа выходного зажик а на фиг. 3с). Достижение восстановлени управл вмых свойств тиристоров коммутатора преобразоватеп в промежутках времени меж ду формированием импульсов на нагрузке достигаетс импульсным источником запираюшего напр жени 32 преобразовател . В исходном состо нии конденсатор 33 блока 32 зар жен до напр жени источника питани инвертора через отсекающий вентиль 36 и вспомогательный дроссель 37 с указанной на фиг. 1 пол рностью. KoMNjyтирующий тиристор 38 закрыт. Бпок управлени 76 тиристором 38 системы управлени подключен к выходу схемы 55 блока 50 переключени тактирующих сигнапов. Импульсы управлени , следующие на тиристор 38 блока 32 преобразсжа Гел , приведены на фиг. 3 п, из которого можно видеть , что они приход т, опережа открывающие импульсы управлени на тиристоры коммутатора на врем равное времени восстановлени тиристоров, Это врем задаетс выбором параметров линии задержки 56, включенной на вксхде одновибратора 57 блока переключени тактирующих сигналов задающего генератора 45. С приходом открывающего импульса управлени на -гаристор 38 напр жение конденсатора через тиристор 38 и распределительные вентили 39-44 приклаДьюаетс к дроссел м 29-31 и заодно ко всем тиристорам коммутатора. В соответствии с приведенными графиками напр жений на фиг. 3 можно видеть, что при подаче открывающего импульса на тиристор 38 источник питани инвертора отсечен от промежуточного трансформатора за счет выключенного состо ни тиристорсв 5, 7 однофазного инвертора. Тем самым упрощаетс и в значительной степени повышаетс надежность принудительного выключени тиристоре коммутатора, так как коммутаци осуществл етс при нулевом напр жении на обмотках 1О-15 трансформатора 9, т. е. без противодей1ствующего включению источника п итани , Токи трехфазной нагрузки при этом счита дл большинства практических случаев ее характер активно-индуктивным, замкнутс через конденсатор блока 32, через дроссели 29-31, распределительные вентили 39-44 и тиристор 38, осуществ л тем самым ее перезар д до обратной пол рности. Спуст врем восстановлени тиристоров коммутатора, согпасно фиг. Зн, м, о, р| вновь па тиристоры коммутатора 2510 поступают открьюающие импупьсы на.-очеч редную пару тиристоров, а также согпас но графику, приведенному на фиг. Зк, по5шл етс напр жение на выходе предварительного инвертора напр жени и тем самым на вторичных обмотках промежуточного трансформатора. При этом -токи на. грузки перевод тс в цепь вторичных обмоток трансформатора, а на нагрузке формируетс очередной импульс напр жени . В дальнейшем конденсатор 33 заканчивает перезар д до противоположной пол рности напр жени , той, котора показана на фиг. 1. Затем конденсатор пе-. резар жаетс через вспомогательный дроссель 35 и диод 34 до исходной пол рности напр жени , после чего происходит его дозар д от источника питани через отсекающий вентиль 36 и вспомогательный зарвдный дроссель 37. Импульсный источник запирающего напр жени готов к очв-; редному срабатыванию. При необходимости псжышени рабочей частоты преобразовател используют вместо отсекающего вентил 36, тиристор, а при низких частотах вентИль 36 следует использовать неуправл емым . Из рассмотрени работы импульсного источника запирающего напр жени преобразоватвл можно видеть, что наличие цепочки, состо щей из диода 34 и дроссел .35, шунтирующей конденсатор, позвол ет ограничить раскачку напр жени на конденсаторе и тем самым стабилизирсюать ее величину на урсене значени напр жени источника питани . Это св зано с тал, что мы имеем вначале разр д конденсатора на дроссель, в результате которого пол рность на конденсаторе изМен етс до противоположной, затем перезар д до исходной пол рности и после чего только следует дозар д от источника питани . Наличие импульснс О источника запирающего напр жени позвол ет восстанавливать управп ющ1те свойства тиристоров коммутатора вначале каждого периода несущей частоты модул ции кривой выходного напр жени , тем самым достигаетс формирование преобраз жателем кривой выходного напр жени путем широтно-импульсной модул ции по пр моугольному закону независимо от изменени параметров и харак тара нагрузки. Линейные и фазные напр жени на нагрузке приведены соответственно на фиг. 3т, ф. Рассмотрена работа инвертора в области среднего диапазона выходной частоты инвертора. В област х верхних и нижних частот измен етс несуща частота спедех вани импульсов, а также длительность формируемых импульсов, однако принцип работы остаетс неизменным. Оснсвными отличительньа1И особенност ми предложенного преобраарватеп посто нного напр жени в многофа зное перемен ное вл ютс следующие: в преобразователе исключен принцип формир юани вспс ло гатепьных импульсе, требующий введени датчике направлени токсе в силоеую цепь ксымутатора, т&л самым упрощена в значительной степени система управлени , Так, в каждом из шести усилйтепьно-разв эьгаающих уапо& управлени исключены по два формироватеп коротких импульсов управлени торис-горами; исключение датчиков направлени тока из силсжрй цепи преобраздаател позволило исключить ( ционапьные обратные св зи силовой схамы и системы управлени и тем самым увеличить помехсустойчивость и, соответственно , надежность работы за вл емого устройства исключение обратных св зей по току позволило реализовать за вл емый преобразователь как разомкнутую систему что упр«цает процесс наладки в отдельности каждого ИЗ звеньев преобраздаател , системы управл йи , кЬммутационной схемы и работы каждой фазы тиристорноГо кслшу атора; значительньтм повышением надежности работы прес разовател о&л етс осуществление работы импульсно го источника запирающего напр жени тиристоре коммутатора в мамент ртсечени истеучника питани преобразешател от П{зомежуте чного трансформатора, за счет чего всэсстановление управл ющих свойств тирристоров коммутатора происходит при нулевом противодействующем наЬр жении; достоинством предложенного преобразовател Явл етс использование одной е)бщей коммутационной схемы дл всех тиристорсж трехфазного коммутатора; положительным свойством импульсного ис/готника запирающего напр жени вл етс отсутствие необходимости сброса избыточной энергии и стабилизации напр жени на конденсаторе на уровне напр$гжениЯ источника питани за счет работы по следующей схеме: разр д конденсате ра на коммутирующие дроссели и соотiseTtiiaSeHHO перезар д до протт1вопопожной пол рности; перезар д конденсатора до исходной пол рност;и напр жени с псмепць вспомогательной шунтирУющей цепи, дозарад до напр жени источника питани .