инвертор напряжения

Формула изобретения

Инвертор напряжения, содержащий подключенный к входным выводам трехфазный мост на транзисторах, зашунтированных встречными диодами, выходные выводы которого соединены с выходными выводами инвертора напряжения, три датчика тока, включенные в цепи выходных выводов инвертора напряжения, отличающийся тем, что транзисторы зашунтированы конденсаторами и варисторами, трехфазный мост на транзисторах зашунтирован ограничителем напряжения и последовательной цепью из двух конденсаторов, общая точка соединения которых подключена к выводу заземления инвертора напряжения, инвертор напряжения снабжен шестью последовательными цепями, содержащими двухвходовую схему И и выходной каскад, выходы выходных каскадов соединены с управляющими электродами транзисторов, распределителем импульсов, выходы которого соединены с первыми входами двухвходовых схем И, задающим генератором, выход которого соединен с входом распределителя импульсов, шестью компараторами, выходы которых соединены с вторыми входами двухвходовых схем И, а входы объединены попарно и подключены к выходам датчиков тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника питания для трехфазных нагрузок с индуктивностью.

Известен инвертор напряжения, содержащий подключенный к входным выводам трехфазный мост на транзисторах, зашунтированных встречными диодами, выходные выводы которого соединены с выходными выводами инвертора напряжения (К синтезу напряжений управления транзисторным инвертором/А.X. Шогенов и др. //Электротехника. -2000. -N4. -С. 21-23).

Недостатком инвертора напряжения является ухудшенная электромагнитная совместимость с питающей сетью и нагрузкой из-за высоких электромагнитных помех при работе, что обусловлено "жесткими" коммутациями транзисторов и "крутыми" фронтами импульсов выходного напряжения.

Известен инвертор напряжения, содержащий подключенный к входным выводам трехфазный мост на транзисторах, зашунтированных встречными диодами, выходные выводы которого соединены с выходными выводами инвертора напряжения, входные выводы инвертора напряжения зашунтированы конденсатором (Преобразователи частоты фирмы Siemens/А. Бармин, М. Ташлицкий//СТА-2000. N4.-C.6-19).

Недостатком инвертора напряжения является ухудшенная электромагнитная совместимость с питающей сетью и нагрузкой из-за, высоких электромагнитных помех при работе, что обусловлено "жесткими" коммутациями транзисторов и "крутыми" фронтами импульсов выходного напряжения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является инвертор напряжения (Анализ и оптимизация алгоритмов управления в частотно-регулируемых электроприводах с инверторами напряжения/В. Л. Грузов и др. //Электротехника. -2000. -N4. -С. 15-20), который и рассматривается в качестве прототипа.

Прототип содержит подключенный к входным выводам трехфазный мост на транзисторах, зашунтированных встречными диодами, выходные выводы которого соединены с выходными выводами инвертора напряжения, три датчика тока, включенные в цепи выходных выводов инвертора напряжения.

Недостатком прототипа является ухудшенная электромагнитная совместимость с питающей сетью и нагрузкой из-за высоких электромагнитных помех при работе, что обусловлено "жесткими" коммутациями транзисторов и "крутыми" фронтами импульсов выходного напряжения.

Изобретение направлено на решение задачи улучшения электромагнитной совместимости инвертора напряжения с питающей сетью и нагрузкой, что является целью изобретения.

Указанная цель достигается тем, что в инверторе напряжения, содержащем подключенный к входным выводам трехфазный мост на транзисторах, зашунтированных встречными диодами, выходные выводы которого соединены с выходными выводами инвертора напряжения, три датчика тока, включенные в цепи выходных выводов инвертора напряжения, транзисторы зашунтированы конденсаторами и варисторами, трехфазный мост на транзисторах зашунтирован ограничителем напряжения и последовательной цепью из двух конденсаторов, общая точка соединения которых подключена к выводу заземления инвертора напряжения, инвертор напряжения снабжен шестью последовательными цепями, содержащими двухвходовую схему И и выходной каскад, выходы выходных каскадов соединены с управляющими электродами транзисторов, распределителем импульсов, выходы которого соединены с первыми входами двухвходовых схем И, задающим генератором, выход которого соединен с входом распределителя импульсов, шестью компараторами, выходы которых соединены с вторыми входами двухвходовых схем И, а входы объединены попарно и подключены к выходам датчиков тока.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является улучшение электромагнитной совместимости инвертора напряжения с питающей сетью и нагрузкой за счет обеспечения условий "мягкой" коммутации транзисторов, "пологих" фронтов импульсов выходного напряжения, шунтирования высокочастотных составляющих и ограничения уровней коммутационных перенапряжений при включениях и выключениях транзисторов и диодов.

Улучшение электромагнитной совместимости инвертора напряжения с питающей сетью и нагрузкой является полученным техническим результатом, обусловленным введением новых элементов и связей, т.е. отличительными признаками. Таким образам, отличительные признаки заявляемого инвертора напряжения являются существенными.

На фиг. 1 приведена схема инвертора напряжения, на фиг.2 - временные диаграммы сигналов элементов схемы.

Инвертор напряжения содержит подключенный к входным выводам трехфазный мост на шести транзисторах 1-6, зашунтированных встречными диодами 7-12, выходные выводы которого соединены с выходными выводами 13 инвертора напряжения, три датчика тока 14-16, включенные в цепи выходных выводов инвертора напряжения, шесть конденсаторов 17-22 и шесть варисторов 23-28, шунтирующих транзисторы трехфазного моста, ограничитель напряжения 29 и последовательную цепь из двух конденсаторов 30, 31, шунтирующих трехфазный мост, общая точка соединения которых подключена к выводу заземления инвертора напряжения, шесть последовательных цепей, содержащих двухвходовую схему И 32-37 и выходной каскад 38-43, выходы выходных каскадов соединены с управляющими электродами транзисторов, распределитель импульсов 44, выходы которого соединены с первыми входами двухвходовых схем И, задающий генератор 45, выход которого соединен с входом распределителя импульсов, шесть компараторов 46-51, выходы которых соединены с вторыми входами двухвходовых схем И, а входы объединены попарно и подключены к выходам датчиков тока.

Инвертор напряжения работает следующим образом. Условно положительные направления токов в фазах инвертора напряжения обозначены на фиг.1 сплошными стрелками, а отрицательные направления - пунктирными стрелками. На выходах компараторов 46, 48, 50 разрешающий единичный сигнал формируется при токе, равном нулю, и при положительном токе соответствующей фазы. На выходах компараторов 47, 49, 51 разрешающий единичный сигнал формируется при токе, равном нулю, и при отрицательном токе соответствующей фазы. Задающий генератор 45 вырабатывает импульсы с частотой, превышающей выходную частоту инвертора напряжения в шесть раз (диаграмма 1, фиг.2). На выходах распределителя импульсов 44 из импульсов задающего генератора 45 формируется система импульсных сигналов 1-6 с периодом Т (диаграммы 2-4, фиг.2), обеспечивающая синхронизацию моментов подачи импульсов управления транзисторами 1-6 и формирование трехфазного напряжения в нагрузке 13 (диаграммы 8-10, фиг.2). При этом моменты выключения транзисторов 1-6 (t3, t6, t9, t12, t15, t18) синхронизируются с указанными импульсными сигналами 1-6, а моменты включения (t2, t5, t8, t11, t14, t17, t20) определяются электромагнитными процессами в схеме инвертора напряжения (диаграммы 5-7, фиг.2). Смещение фронта импульса управления каждого транзистора 1-6 на диаграммах 5-7, фиг.2 (интервалы t0-t2, t3-t5, t6-t8, t8-t11, t15-t17, t18-t20) осуществляется отключением соответствующего выхода распределителя импульсов 44 от выходного каскада 38-43 двухвходовой схемой И 32-37 по запрещающему нулевому сигналу компаратора 46-51 и сигналу датчика тока 14-16, если ток фазы на заданном временном интервале имеет направление, противоположное направлению протекания прямого тока для соответствующего транзистора 1-6.

В момент времени 10 производится выключение транзистора 2. Так как по законам коммутации напряжение на конденсаторе 18 не может измениться скачком, то выключение транзистора 2 осуществляется при напряжении, близком к нулевому уровню (конденсатор 18 в интервале проводимости транзистора 2 зашунтирован указанным транзистором и разряжен). Конденсатор 17 в момент выключения транзистора 2 заряжен до напряжения источника питания +Е, а конденсатор 18 полностью разряжен. При этом во включенном состоянии находятся транзисторы 4, 5. Ток в фазе а продолжает протекать в отрицательном направлении за счет энергии, накопленной в индуктивности фазы а, по контуру: 13(а)-14 - 17 - 5 - 16 - 13(с) - 13(а). В интервале t0-t1 за счет энергии индуктивности происходит разряд конденсатора 17 и заряд конденсатора 18 по колебательному закону. При этом напряжение на конденсаторе 18 плавно возрастает, а на конденсаторе 17 плавно снижается. Напряжение на фазе а нагрузки 13 плавно изменяется от -Е/3 до +Е/3 (диаграмма 8, фиг.2). Напряжения в фазах в и с (диаграммы 9, 10, фиг.2) соответственно изменяются от +Е/3 до -Е/3 и от +Е до +Е/3. Через нагрузку 13 фазы в протекает отрицательный ток по контуру: 13(в)-15-4-Е-5-16-13(с)-13(в). Через нагрузку 13 фазы с протекает положительный ток по контуру: 13(с)-13(в)-15-4-Е-5-16-13(с). В интервале t0-t1 транзистор 1 включиться не может, так как компаратор 46 по сигналу датчика тока 14 при протекании отрицательного тока в фазе а формирует запрещающий t1 конденсатор 17 разряжается до нуля, а конденсатор 18 заряжается до напряжения источника питания +Е. Параметры элементов схемы инвертора выбраны так, что в момент времени t1 в индуктивности нагрузки 13 фазы а еще имеется запас энергии. В результате, в момент времени t1 включается встречный диод 7 и через нагрузку 13 фазы а продолжает протекать отрицательный ток по контуру: 13(а)-14-17-5-16-13(с)-13(а). При этом на выходе компаратора 46 продолжает действовать запрещающий нулевой сигнал для транзистора 1 и он не может включиться. На транзисторе 1 в интервале t1-t2 напряжение равно падению напряжения на встречном диоде (близкое к нулевому уровню отрицательное напряжение), а на транзисторе 2 напряжение максимально и равно напряжению источника питания +Е. При этом напряжение на нагрузке 13 в фазе а не изменяется и равно +Е/3, в фазе в равно -2Е/3, в фазе с равно +Е/3. В момент времени t2 ток в фазе а становится равным нулевому значению (энергия, накопленная в индуктивности нагрузки 13 фазы а полностью израсходована). На выходе компаратора 46 формируется разрешающий единичный сигнал для двухвходовой схемы И 32 и подается импульс управления на транзистор 1 (диаграмма 5, фиг. 2). При этом транзистор 1 включается при напряжении на нем, равном нулевому уровню. Напряжение на нагрузке 13 в фазе а равно +Е/3, в фазе в равно -2Е/3, в фазе с равно +Е/3. Далее в момент времени t3 производится выключение транзистора 5. При выключении транзистора 5 электромагнитные процессы протекают аналогично описанным для транзистора 2. Для заявляемого инвертора напряжения также возможно применение управления по принципу многократной двухполярной модуляции. При этом электромагнитные процессы протекают аналогично описанным выше.

Варисторы 23-28 и ограничитель напряжения 29 обеспечивают ограничение уровней импульсных перенапряжений на элементах схемы инвертора напряжения, вызванных изменениями токов на индуктивностях шин и монтажа при коммутациях транзисторов 1-6 и диодов 7-12. Конденсаторы 30, 31 шунтируют на вывод заземления высокочастотные перенапряжения на входных выводах инвертора напряжения. В результате улучшается электромагнитная совместимость инвертора напряжения с питающей сетью и нагрузкой.

Распределитель импульсов 44 может быть выполнен по любой из известных схем, например, на основе суммирующего счетчика и схемы памяти. Компараторы 46-51 выполняются на основе быстродействующих операционных усилителей. В качестве выходных каскадов 38-43 могут быть использованы микросхемы электронных драйверов для транзисторов типа IGBT. Датчики тока 14-16 выполняются на основе элементов Холла.

По сравнению с прототипом существенно улучшается электромагнитная совместимость преобразователя с питающей сетью и нагрузкой. За счет обеспечения "мягкой" коммутации при нулевых уровнях напряжений для транзисторов и диодов, исключения протекания "сквозных" токов, ограничения уровней высокочастотных перенапряжений уровень электромагнитных помех для заявляемого инвертора напряжения может быть снижен более чем в 60 раз. Улучшается гармонический состав выходного напряжения.

Повышается надежность работы инвертора напряжения за счет улучшения условий работы транзисторов и диодов и снижения коммутационных потерь.

Повышается коэффициент полезного действия за счет уменьшения потерь на элементах схемы инвертора напряжения и нагрузке при отсутствии "крутых" фронтов напряжения.

Уменьшается стоимость элементов инвертора напряжения за счет возможности использования элементов (транзисторов, диодов и др.) на меньшие допустимые токи и напряжения.

Улучшается работа инвертора напряжения в динамических режимах при сбросах и набросах нагрузки за счет обеспечения режима квазирезонансной коммутации.