Автономный инвертор

Автономный инвертор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Соввтскик

Социалистичвсиик

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ ()936299 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 23. 07 ° 80 (21) 2961965/24-07 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет (5I)M. Кл.

H 02 М 7/515

3Ъеуаарстеееый квинтет

СССР ао делеи язебретеекк к вткрыткй (53) УЛК621.314..572(088.8) Онублнковано 15. 06. 82. Бюллетень № 22

Дата опубликования описания 15.06.82 (72) Авторы изобретения

И.И.Кантер, Н.П.Митяшин, И.И.Артюхов и В.В.Гребенников

Саратовский политехнический институт (71) Заявитель (54) АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано для электроснабжения на повышенных частотах потребителей с переменной нагрузкой.

Известны автономные инверторы, в которых устройство стабилизации выходного напряжения выполнено в виде обратного управляемого выпрямителя, выводы постоянного тока которого

1О через дроссели подключены к входным зажимам инвертора (1) и (2).

Однако наличие дополнительного комплекта управляемых вентилей приводит к усложнению силовой схемы ин15 вертора и его системы управления, а включение дросселей большой индуктивности в цепи постоянного тока обратного выпрямителя сопровождается снижением устойчивости при работе на двигательную нагрузку.

Известен также автономный инвертор, содержащий тиристорный мост, в цепи питания которого включен сглаживающий дроссель, а между выводами переменного тока включены коммутирующие конденсаторы, мост обратных диодов, выводы переменного тока которого соединены с выводами переменного тока тиристорного моста, выводы пос" тоянного тока через компенсирующие дроссели подключены к выводам постоянного тока ти рис торного моста, а та кже трансформатор, включенный между выводами переменного тока тиристорного моста и выходными выводами инвертора (3$, Данный инвертор характеризуется жесткой внешней характеристикой и устойчивостью при работе на двигательную нагрузку. Однако наличие моментов закорачивания компенсирующих дросселей цепочками последовательно соединенных диода и тиристора приводит к увеличению среднего тока вентиля, снижению КПД и ограничению частотного диапазона.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является где T. и P - модуль и аргумент фазного сопротивления нагрузки;

С и - фазная емкость коммутирующей батареи

8 - 10 и индуктивность обмоток 17 дросселей 18 и 19;

Ш вЂ” круговая частота инвертирования; — угол запирания;

35 цр{р) — некоторая монотонно возрастающая функция угла, равная нулю при = О.

Физический смысл уравнения состоит в том, что коммутирующая емкость (левая часть уравнения) расходуется на компенсацию реактивной мощности нагрузки и создание необходимого угла запирания (второе слагаемое правой части уравнения) и компенсацию тока, создаваемого дросселями обратного моста (первое слагаемое правой части уравнения). Уравнение может быть получено из векторной диаграммы, построенной для основных гармоник (фиг. 2) .

На фиг. 2 обозначено 0 - фазное напряжение на выходе инвертора; ток фазной емкости; 11, - ток, генерируемый обратным мостом; 1 4H LR индуктивная и активная составляющие тока нагрузки; I - результирующий ток на выходе инвертора.

3 93629 автономный инвертор, содержащий ти4 ристорный мост с коммутирующими конденсаторами, мост обратных диодов и трансформатор, причем выводы переменного тока моста обратных диодов подключены к отпайкам первичной обмотки трансформатора, а выводы постоянного тока тиристорного моста и моста обратных диодов связаны с шинами питания через обмотки индуктивностей ) 4).

Однако для обеспечения работоспособности инвертора необходимо включение в цепь постоянного тока моста обратных диодов дросселей с достаточ- >> но большой индуктивностью, что снижает быстродействие инвертора и увеличивает возможность самовозбуждения при работе на двигательную нагрузку. Схема инвертора работоспо- 20 собна только при наличии активных потерь в силовых элементах. Кроме того, инвертор характеризуетая значительными потерями холостого хода> что при резкопеременном характере нагрузки приводит к увеличению расхода электроэнергии.

Целью изобретения является улучшение энергетических и динамических характеристик инвертора.

Указанная цель достигается тем, что в автономном инверторе обмотки индуктивностей, связанные с одной шиной питания, расположены на общем магнитопроводе, причем одна из обмоток в каждом из двухобразованных таким образом многообмоточных дросселей включена между разноименными по полярности выводами тиристорного моста и моста обратных диодов и каждый из дросселей снабжен подмагничивающей обмоткой и размагничивающими обмотками по числу фаз инвертора, которые через дополнительно введенные маломощные диоды соединены между собой в треугольник, вершины которого подключены к выводам переменного тока тиристорного моста °

На фиг. 1 приведена схема автономного инвертора; на фиг. 2 — 4 - графики,поясняющие его работу.

Автономный инвертор содержит тиристорный мост 1 — 6, линейный дроссель 7, коммутирующие конденсаторы 8 - 10, мост обратных диодов ll - 16, >> выводы постоянного тока которого соединены с выводами постоянного тока . тиристорного моста 1 — 6, через об9 ф мотки 17 многообмоточных дросселей, 18 и 19, а также трансформатор 20, к отпайкам первичной обмотки которого подключены выводы переменного тока моста обратных диодов 11 - 16.

Многообмоточные дроссели 18 и 19 кроме указанных обмоток 17 содержат также подмагничивающие обмотки 21, управляющие обмотки 22 и размагничивающие обмотки 23 - 25. Обмотки

23 - 25 дросселя 18 через маломощные диоды 26 - 28 соединены между собой в треугольник, вершины которого подключены к выводам переменного тока моста 1 - 6.

Аналогичным образом соединены через диоды 29 - 31 обмотки 23 - 25 дросселя 19.

Для схемы инвертора справедливо уравнение:

5 9362

Исходя из приведенного уравнения, механизм стабилизации выходного напряжения может быть истолкован следующим образом.

При разгрузке инвертора возрастает 5 угол Р и следовательно растет первое слагаемое в правой части уравнения (за счет возрастания ф Ц3 } °

Это влечет меньшее увеличение второго слагаемого, т.е. уменьшение Со (3; 0

Таким образом, наличие обратного моста приводит к меньшему росту угла Р при разгрузке инвертора,чем при его отсутствии. Это и ведет к стабилизации выходного напряжения.

При этом, чем меньше величина индуктивности L обмоток 17, тем больше увеличивается (при этом же изменении нагрузки) первое слагаемое пра-, вой части, и следовательно тем жест- 20 че внешняя характеристика инвертора.

Оцениваем величину емкости, которая необходима для создания требуемого угла запирания И в режиме полной загрузки преобразователя, Из уравнения находим .

ЛО

Поясняем назначение обмоток 2325, . токи которых пропорциональны выходному напряжению. В статическом режиме достаточно предусмотреть управление только составляющей напряженности Hjg. Однако .наличие значительной индуктивности катодного реакС 1 (1 ь!п{6+Ри)

@ Lu> соз Р, 30

Индекс "Н" при углах gg u fq указывает на то, что уравнение рассмат- ривается для номинального режима.

Емкость оказывается тем больше, чем больше угол и меньше индук35 тивность L. Таким образом, чем жестче требуется внешняя характеристика, тем больше требуется коммутирующая емкость. В предлагаемой схеме этот недостаток устранен, так как индуктивность L сделана зависящей от угла 1 . Именно эта индуктивность максимальна RpH малом J3 (номинальный режим)и минимальна при большом (режим холостого хода).

Такая зависимость индуктивности реализована с помощью подмагничивания его сердечника. На фиг. 3 показана предельная петля намагничивания. Система изменения магнитно50 го состояния сердечника должна обеспечивать в режиме холостого хода инвертора состояние, соответствующее точке А, а в номинальном режимесостояние, соответствующее точке В.

Ф 55

Действительно, пусть рабочии ток дросселя, осуществляющий компенсацию избыточной реактивной мощности коммутирующей батареи, перемагничивает сердечник вдоль положительного направления напряженности. Тогда индуктивность обмотки, па которой протекает этот ток, максимальна, если начальное состояние соответствует точке А и минимальна, если оно соответствует точке В.

В качестве управляющих сигналов, обеспечивающих нахождение сердечника в требуемых состояниях, могут быть выбраны ток, потребляемый инвертором от источника постоянного напряжения, и так, пропорциональный выходному напряжению.

В номинальном режиме ток, потребляемый от источника, максимален, а напряжение инвертора минимальна.

Наоборот, в режиме холостого хода потребляемый ток минимален, а напряжение инвертора - максимально.

Поэтому обмотки управляющая 22 (с током источника) и размагничивающие

23 - 25 (с токами, пропорциональными выходному напряжению), должны быть намотаны на сердечник так, чтобы управляющая напряженность удовлетворяла равенству:

НЯ - Н1 "и ° где Н. — напряженность, создаваемая

1Ц током, потребляемым от источника постоянного напряжения;

Н - напряженность, создаваемая и ,током, пропорциональным напряжению инвертора.

Помимо этих обмоток необходима намагничивающая обмотка 21, обеспечивающая фиксацию магнитного состаяния сердечника в точках А и 8 с учетом петли конкретного материа ла.

Таким образом, в исхс дном состоянии (перед возникновением каждого им" пульса компенсирующего тока через обмотку 17), напряженность определяется по формуле

Н = Ну+ Н„„Н - HH+ Н „„., На фиг. 3 показаны величины результирующих напряженностей в двух крайних режимах.

7 93629 тора в цепи источника ухудшает быстродействие процесса управления величиной индуктивности fg . В момент отключения нагрузки ток источника уменьшается медленнее, чем уве- 5 личивается напряжение на выходе ин— вертора. Наличие обмоток 23 — 25 компенсирует в переходном режиме это отставание, так как быстро возрастающее напряжение увеличивает составляю- 1 щую напряженности Ни, что уменьшает результирующую напряженность управления Н„= Н„о- Ни. Аналогично протекает йереходный процесс и при набросе нагрузки. После окончания переходного процесса ток, потребляемый от источника, достигает нового установившегося значения, а выходное напряжение, после кратковременного возрастания (или уменьшения) дости- 20 гает значения, близкого к номинальному. При этом происходит требуемое перераспределение долей составляющих

H g и Ни в результирующей напряженности. 25

Та ким обра зом, раз ма гничи вающие обмотки 23 - 25 служат для увеличения быстродействия процесса регулирования величины индуктивности Ь

Малая инерционность обмоток 23

25 определяется способом их питания выходным напряжением инвертора, при котором каждая из обмоток проводит ток в течение времени, не превосходящем полпериода выходной частоты.

Обмотки 23 - 25 и диоды 2б — 28 (или 29 — 31), стоящие последовательно с ними, являются маломощными, так как необходимая величина напряженности Н1, может быть создана за счет соответствующего выбора числа витков.

На фиг. 4 приведены графики завиф5 симости коэффициента нагрузки В и коэффициента использования тиристора К, от номинального угла запирания, рассчитанные для предлагаемой схемы.

56

Коэффициент В рассчитывается по формуле

Коэффициент использования тиристора К, рассчитываемый по формуле

Т, ср.Нам и характеризует отношение амплитудного значения тока тиристора (и диода) в режиме холостого хода 1 щ „ к среднему току тиристора в номинальном режиме 1т.ср.иом

Графики построены для различных значений отношения S величины индуктивности реактора в номинальном режиме Lg и индуктивности его в режиме. холостого хода 1 X т.е.:

> = м "х

При этом S 1 соответствует нерегулируемому реактору.

Приведенные графики соответствуют

104 нестабильности напряжения инвертора, т.е. (0Х4(Он)/UH 0 1 где U и U " напряжение на выходе в режиме холостого хода и в номинальном режиме.

Сравнение графиков показывает,что увеличение S позволяет значительно уменьшить установленную мощность конденсаторной батареи и тиристоров, однако выбирать S ) 5 нецелесообразно.

Недостатком известного инвертора является то, что через тиристорный мост проходит не только активная мощность нагрузки, но и активная мощность обратного диодного моста, под которой понимается величина, определяемая соотношением

Рр — .1® где U 1 - напряжение источника питания;

1 - среднее значение тока цир9 куляции.

Из уравнения энергетического баланса L41 имеем: где Q и характеризует величину установ55 ленной мощности коммутирующей батареи Qt no отношению к полной мощности нагрузки в номинальном режиме SH. реактивная мощность конденсаторов 8 - 10; реактивная мощность нагрузки; активная мощность нагрузки.

+ 1 двоп <9 р

Используя эту зависимость, не

25 трудно показать, что отношение среднего значения тока рабочего тиристора в режиме холостого хода к среднему значению при максимальной загрузке при указанных выше для схемы (4 J значениях Р и Со У нагрузки не превышает 0,67.

Таким образом,в предлагаемой схеме автономного инвертора активные потери в режиме холостого хода существенно меньше, чем в схеме f4 j.

Отсюда видно, что эффективность использования вентилей схемы $4 )no току зависит от коэффициента мощносВ ти нагрузки и номинального угла запирания.

При углах запирания Ъ, находящихся в пределах 5 - 30 эл.град, и коэффициенте мощности нагрузки, равном 0,7, средний ток вентилей схемы f4 $ режиме холостого хода возрастает по сравнению с режимом мак- . симальной нагрузки от 2,73 до 6,67 раз (большее число соответствует меньшей величине угла запирания $). При меньшей величине коэффициента мощности .нагрузки кратность изменения токов еще больше.

Искусственное завышение величины угла запирания Р для уменьшения отношения JS 3d в соответствии с npulrCht. 45 веденными ура внениями не эффективно, так как сопровождается резким увеличением установленной мощности батареи коммутирующих конденсаторов.

Таким образом,.режим холостого хода является расчетным для схемы

Г °

4), причем в соответствии с указанными кратностями тока должны выбираться как вентили схемы, так и ее электромагнитные аппараты.

8 предлагаемой схеме инвертора кривая тока тиристора является суммой двух составляющих:

1т = та+ т

Важным преимуществом предлагаемого инвертора перед известным является также то, что он может быть реализован на элементах, принципиально не обладающих активными потерями. Это обстоятельство делает схему предлагаемого устройства перспективной при соответствующем развитии силовой элементной базы, построенной на основе явления сверхпроводимости.

Предлагаемое устройство обладает более высоким быстродействием по сравнению с известным (4) за счет того, что реакция системы стабилизации выходного напряжения на изменение параметров нагрузки представляет собой последовательность импульсов. Это определяется тем, что

55 в прерывистом режиме исключается влияние инерционности индуктивных элементов на инерционность системы стабилизации по огибающей переходного процесса.

9 936299 10

8 режиме холостого хода составляю- где i - составляющая обусловленн та щие полнои мощности н а груз ки ра вны током, потребляемым от иснулю, т.е. точника питания;

Р = 0

И Н

- составляющая, обусловленная

8 результате получаем 5 током компенсации проте1

О, = Р,+gP кающим через обмотки 17

При максимальной нагрузке инверто- дРосселей 13 и 19. ра P> = О, Рн= Рника следовательно При разгрузке инвертора составляю- с = Р„ (ц + д1 ) щая i> 0, а составляющая 1т предгде Т - аргумент полного сопротив- ставляет колоколообразный импульс тока пения нагрузки. с амплитудой

Из уравнений для двух граничных режимов получаем

P tgP = P„ „(tgy + cga).

TBK KBK Ркрп 1ф Ц<1, 35 кепи где U - амплитуда напряжения, погде36 -„ средний ток тиристорного мос- даваемого на диодный мост та при максимальной загруз- с отпаек трансформатора. ке, Среднее значение тока вентилей то, с учетом выражения для опреде- в режиме холостого хода; ления Р>, последнее уравнение может 20

I быть переписано следующим образом: 0м О > 3 (sin P P cos P) ! е М

93629

Другие преимущества предлагаемого устрайствв Перед известным (4) состоят в следующем.

Размещение обмоток индуктивностей, связанных с одной шиной S питания, на общем магнитопроводе приводит к улучшению массогабаритных показателей.

Изменение магнитного состояния многообмоточных дросселей в зависимости от параметров нагрузки благоприятно сказывается на пусковых ха" рактеристиках инвертора. Это связано с тем, что при включении инвертора на холостом ходу эквивалентная величина индуктивного сопротивления в цепи питания тиристорного моста оказывается меньше, чем при работе на номинальную нагрузку.

Формула изобретения . Автономный инвертор, содержащий тиристорный мост с коммутирующими 25 конденсаторами, мост обратных диодов и трансформатор, причем выводы переменного тока моста обратных диодов подключены к отпайкам первичной обмотки трансформатора, а выводы пос- Зв тоянного тока тиристорного моста и моста обратных диодов связаны с шина.ми питания через обмотки индуктив9 12 ностей, отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетических и динамических характеристик, обмотки индуктивностей, связанные с одной шиной питания, расположены на общем магнитопроводе, причем одна,из обмоток в каждом иэ двух образованных таким образом многообмоточных дросселей включена между разноименными по полярности выводами тиристорного моста и моста обратных диодов, а каждый из дросселей снабжен подмагничивающей обмоткой и размагничиваиицими обмотками по числу фаэ инвертора,,которые через дополнительно введенные диоды соединены между собой в треугольник, вершины которого подключены к выводам переменного тока тиристорного моста.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США и 3768001, кл. H 02 М 7/48, 1973.

2. Ковалев Ф.И. и др. Судовые статические преобразователи. Л.,"Судостроение", 1965, с. 129, рис. 49.

3. Кантер И.И. Статические преоб раэователи частоты. Иэд-во Саратовского университета, 1966; с. 300, рис. 7 - 3.

4. Раскин Л.Я.Стабилизированные автономные инверторы тока на тиристоРах И.,"ЗнеРгиЯнв 1970, с. 29. Рис 9

936299

1.2

1б!

Ю 20 30 4g Ян 10 20 Я Ц Ун иг.O

Заказ 4244/69 Тираж 721 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. ПроИстная, 4

Составитель Г.Мыцык

Редактор .И.Митровка Техред К.Мыцьо Корректор А.Дзятко