Автономный инвертор агрегата бесперебойного питания с генератором переменного тока

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в агрегатах бесперебойного питания, используемых, в частности, в ветроэнергетике. Техническим результатом является расширение диапазона используемых мощностей нестабильных источников электроэнергии и стабилизация частоты генератора при меняющихся энергиях ветра. В автономном инверторе агрегата бесперебойного питания с генератором переменного тока тиристорные мосты диагоналями постоянного тока подключены к источнику постоянного тока через силовой транзистор. В него дополнительно введена конденсаторная матрица со схемой фазовой автоподстройки частоты сети с n параллельно соединенными цепями, образованными последовательным соединением конденсатора и двунаправленного ключа. Емкость каждого i+1 конденсатора равна двум номиналам i конденсатора. Управляющие входы двунаправленных ключей подключены к двоичным выходам схемы фазовой автоподстройки частоты. Выходная обмотка генератора и конденсаторная матрица включены в диагонали переменного тока тиристорных мостов. 1 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, точнее к преобразователям постоянного напряжения в переменное заданной частоты и формы, и может быть использовано в агрегатах бесперебойного питания, используемых, в частности, в ветроэнергетике.

В ветроэнергетике автономные инверторы совместно с генератором переменного тока образуют агрегат бесперебойного питания ответственного потребителя. В режимах, когда энергии ветра достаточно для нагрузки, сеть питается генератором, при падении энергии ветра ниже номинальной сеть подключается к выходу инвертора.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по выполняемой функции и структуре, принятым за прототип, является автономный инвертор - полезная модель №15241. Указанный инвертор содержит мостовую тиристорную схему, диагональ переменного тока которой нагружена на первичную обмотку трансформатора, дополнительную тиристорную стойку, включенную так, что с первой тиристорной стойкой рабочего моста они образуют мост с конденсатором в выходной диагонали, а тиристоры второй стойки рабочего моста шунтированы обратными диодами, диагональ постоянного тока (вход) тиристорного моста подключена к источнику постоянного тока через транзистор. Данный автономный инвертор совместно с генератором переменного тока может работать только пораздельно во времени, как указано выше.

Существенными признаками технического решения-прототипа, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения, являются:

- отдельная тиристорная стойка;

- первый тиристорный мост, одна тиристорная стойка которого зашунтирована обратными диодами, а вторая тиристорная стойка совместно с отдельной тиристорной стойкой образуют второй тиристорный мост;

- силовой транзистор, посредством которого оба тиристорных моста диагоналями постоянного тока подключены к источнику постоянного тока;

- генератор переменного тока (при работе автономного инвертора в агрегате бесперебойного питания).

Пораздельная работа на сеть генератора переменного тока или инвертора характеризуется тем, что не используется энергия малых ветров, при которых генератор не обеспечивает требуемых токов в сети. Кроме того, при больших энергиях ветров увеличивается частота вращения генератора, что приводит к увеличению частоты сети и для стабилизации сети приходится вводить дополнительные устройства.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое решение, - расширение диапазона используемых мощностей нестабильных источников электроэнергии (например, рабочих ветров), а также использование последнего для стабилизации частоты генератора при меняющихся энергиях ветра. Иными словами - расширение функциональных возможностей, а также исключение необходимости подключения дополнительных устройств.

Для решения данной технической задачи автономный инвертор агрегата бесперебойного питания с генератором переменного тока, содержащий отдельную тиристорную стойку, первый тиристорный мост, одна тиристорная стойка которого зашунтирована обратными диодами, а вторая тиристорная стойка совместно с отдельной тиристорной стойкой образуют второй тиристорный мост, при этом оба тиристорных моста диагоналями постоянного тока подключены к источнику постоянного тока через силовой транзистор, дополнительно содержит снабженную схемой фазовой автоподстройки частоты сети конденсаторную матрицу, которая содержит n параллельно соединенных цепей, образованных последовательным соединением конденсатора и двунаправленного ключа, при этом номинал конденсатора в i-й цепи равен удвоенному номиналу конденсатора в i-1 цепи, а управляющие входы двунаправленных ключей подключены к двоичным выходам схемы фазовой автоподстройки частоты, причем выходная обмотка генератора включена непосредственно в диагональ переменного тока первого тиристорного моста, а конденсаторная матрица - в диагональ переменного тока второго тиристорного моста.

Отличительными признаками предлагаемого инвертора являются снабженная схемой фазовой автоподстройки частоты сети конденсаторная матрица, которая содержит n параллельно соединенных цепей, образованных последовательным соединением конденсатора и двунаправленного ключа, при этом номинал конденсатора в i-й цепи равен удвоенному номиналу конденсатора в i-1 цепи, а управляющие входы двунаправленных ключей подключены к двоичным выходам схемы фазовой автоподстройки частоты, причем выходная обмотка генератора включена непосредственно в диагональ переменного тока первого тиристорного моста, а конденсаторная матрица - в диагональ переменного тока второго тиристорного моста.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемый автономный инвертор, не была обнаружена, таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «новизна».

На основании сравнительного анализа предложенного технического решения с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной литературы можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемых целей имеется неочевидная причинно-следственная связь. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что техническое решение не следует явным образом из уровня техники, и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности «изобретательский уровень».

Предложенный инвертор может найти применение в автономных энергосетях с нестабильными источниками, например ветроэлектрогенератором, переменного тока промышленной сети. При этом отпадает требование, например, к ветроагрегату по обеспечению им постоянства оборотов за счет поворота лопастей с большой частотой. Эту функцию на себя берет предлагаемый инвертор. Таким образом, изобретение соответствует критерию «промышленно применимо».

Изобретение поясняется чертежом, на котором обозначены: тиристорная мостовая схема 1, нагрузка (обмотка генератора) 2, коммутирующий транзистор 3, стойка 4 с последовательно включенными тиристорами, шунтированными обратными диодами, отдельная тиристорная стойка 5 с последовательно включенными тиристорами, образующая с второй тиристорной стойкой моста 1 второй тиристорный мост 7, емкостная (конденсаторная) матрица 6. Схема фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ не показана.

В выходную диагональ тиристорной мостовой схемы 1 подключена нагрузка (обмотка генератора) 2. Входная диагональ схемы 1 соединяется с источником постоянного тока через транзистор коммутирующий 3.

Стойка 4 с диодами VD1 и VD2 подключена параллельно тиристорному мосту 1 и средняя точка стойки 4 соединена с первой точкой выходной диагонали тиристорного моста 1.

Вторая точка выходной диагонали тиристорного моста 1 соединена со средней точкой тиристорной стойки 5 через емкостную матрицу 6.

Емкостная матрица 6 выполнена из n параллельно включенных цепей, каждая из которых представляет собой последовательное соединение конденсатора C_i и двунаправленного ключа-симистора Vci.

Емкость каждого i+1 конденсатора равна двум номиналам i конденсатора. Таким образом, емкостная матрица выбрана в коде 1-2-4-8....

Предложенной силовой схемой инвертора управляет известная схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Как правило, схема ФАПЧ в своем составе содержит задающий генератор, фазовый выпрямитель с фильтром и генератор частоты, управляемый напряжением. Фазовый выпрямитель выполняет функцию сравнения частот задающего генератора и частоты напряжения на нагрузке инвертора.

Если нагрузкой инвертора является активно-индуктивная нагрузка с противоэ.д.с., то частота напряжения нагрузки будет определяться в предложенном инверторе состоянием емкостной матрицы 6 и э.д.с. нагрузки 2.

Покажем это. Для этого рассмотрим процессы коммутации в схеме для трех режимов нагрузки с противоэ.д.с. - электрической машины переменного тока.

Режим 1. Электрическая машина находится в режиме генератора (это соответствует условию, когда мощность возобновляемого источника энергии больше мощности, потребляемой из сети).

В этом режиме VT1 закрыт и тиристорный мост 1, а также тиристорная стойка 5 с конденсаторной матрицей 6 и обратные диоды стойки 4 отключены от аккумуляторной батареи.

Тиристоры VS2 и VS4 включены. Тогда электрическая машина, кроме запитки сети, энергию тратит также на перезаряд емкостной матрицы 6 по цепи: в одном направлении - начало обмотки Н, конденсатор, двунаправленный ключ VCi, диод VD3, VS2, конец обмотки К; в другом направлении - конец обмотки К, VS4, VD4, двунаправленный ключ VCi, конденсатор Ci, начало обмотки. Тем самым показано, что в этом режиме параллельно сети подключена конденсаторная матрица 6, которая выполняет роль регулируемой реактивной нагрузки. Регулирование осуществляется коммутацией двунаправленных ключей VCi. Для числа конденсаторов n имеем 2ⁿ число ступеней реактивной нагрузки. Если сигнал с фазового выпрямителя преобразовать в двоичный код и этим кодом управлять ключами конденсаторной матрицы 6, то конденсаторная батарея будет играть роль генератора, управляемого напряжением (ГУН в схеме ФАПЧ), поскольку параллельное подключение конденсаторов к сети изменяет угол между током и напряжением сети, что оказывает воздействие на момент на валу электрической машины переменного тока, это в свою очередь влияет на скорость вращения вала машины, что и определяет частоту сети.

Таким образом, показано, что коммутируемая емкостная матрица 6 играет роль генератора, управляемого напряжением. Схема же ФАПЧ при этом выполняет функцию стабилизатора частоты сети.

Режим 2. Машина находится в режиме, переходном из генераторного в двигательный и наоборот.

При этом режиме мощность возобновляемого источника в среднем равна номинальной мощности сети, но из-за нестационарности этой энергии происходит колебание частоты напряжения сети.

Режим, когда частота сети больше номинальной, рассмотрен выше. Рассмотрим режим уменьшения частоты сети. При этом мощности генератора (мощности электрической машины) не хватает, чтобы питать сеть. Для этого случая недостающая энергия будет потребляться из источника постоянного тока. При этом транзистор VT1 начинает коммутироваться с частотой задающего генератора и схема работает как схема обычного инвертора (схема-прототип). Дополнительно, в зависимости от состояния сети схема ФАПЧ снижает значение емкости емкостной матрицы 6 до уровня, обеспечивающего запирание тиристоров VS1 и VS3. Процесс коммутации в этом режиме идет по цепи VS1, нагрузка, VS4, VT1 с переходом на цепь VS5, конденсатор Ci, нагрузка, VS4, VT1 в одном направлении и VS2, нагрузка, VS3, VT1 с переходом на цепь VS2, нагрузка, конденсатор Ci, VS6, VT1 в другом направлении. Переход из одного режима в другой происходит с запаздыванием всего на полпериода сетевого напряжения.

Режим 3. Мощность источника возобновляемой энергии (мощность электрической машины) существенно ниже мощности, потребляемой из сети.

При этом обмотки машины отключаются от инвертора и сеть питает лишь инвертор, работая как инвертор-прототип. Таким образом, показано, что, управляя емкостной матрицей 6 с помощью схемы фазовой автоподстройки частоты, в предложенном инверторе с активно-индуктивной нагрузкой с противоэ.д.с. можно достигнуть стабилизации частоты сети.

По сути предложен четырехквадрантный инвертор, обеспечивающий работу электрической машины во всех ее режимах без прерывания токов, что очень важно для сети ответственных потребителей.

Автономный инвертор агрегата бесперебойного питания с генератором переменного тока, содержащий отдельную тиристорную стойку, первый тиристорный мост, одна тиристорная стойка которого зашунтирована обратными диодами, а вторая тиристорная стойка совместно с отдельной тиристорной стойкой образуют второй тиристорный мост, при этом оба тиристорных моста диагоналями постоянного тока подключены к источнику постоянного тока через силовой транзистор, отличающийся тем, что он содержит снабженную схемой фазовой автоподстройки частоты сети конденсаторную матрицу, которая содержит n параллельно соединенных цепей, образованных последовательным соединением конденсатора и двунаправленного ключа, при этом емкость каждого i+1 конденсатора равна двум номиналам i конденсатора, а управляющие входы двунаправленных ключей подключены к двоичным выходам схемы фазовой автоподстройки частоты, причем выходная обмотка генератора включена непосредственно в диагональ переменного тока первого тиристорного моста, а конденсаторная матрица в диагональ переменного тока второго тиристорного моста.