Способ управления однофазным инвертором напряжения и однофазный инвертор напряжения, управляемый по этому способу

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в статических преобразователях с разделительными трансформаторами для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей путем снижения пульсаций тока, протекающего через разделительные трансформаторы. В способе управления однофазным инвертором и в однофазном инверторе, управляемом по этому способу, вводят амплитуду заданного значения тока нагрузки, значение допустимого отклонения тока нагрузки и определяют заданное мгновенное значение тока нагрузки и в зависимости от суммы или разности заданного значения тока и величины допустимого отклонения осуществляет подключение соответствующих полюсов нагрузки к положительной или отрицательной шине источника постоянного тока при соответствующей положительной или отрицательной полярности напряжения нагрузки на время, пока ток нагрузки не достигнет суммы и соответственно разности указанных величин тока. Однофазный инвертор напряжения содержит источника питания, четыре последовательно соединенных конденсатора, две последовательно соединенные группы транзисторных модулей, каждый из которых состоит из транзистора со встречно-параллельно соединенным диодом, разделительные трансформаторы, нагрузку. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к статическим преобразователям постоянного напряжения в переменное однофазное напряжение с разделительными трансформаторами и выведенной средней точкой источника питания.

Известны различные способы управления и схемотехнические решения однофазных инверторов, питающие нагрузку через разделительный трансформатор и состоящие из входного фильтра, силовых полупроводниковых приборов, соединенных по схеме моста, в диагональ которых подключен разделительный трансформатор, питающий нагрузку. Общий недостаток, присущий указанным способам управления однофазными инверторами, заключается в несинусоидальности тока нагрузки, что приводит к неудовлетворительному качеству преобразуемой энергии, потерях энергии в ключевых элементах, трансформаторном и реакторном оборудовании.

Известен способ управления однофазным инвертором напряжения с разделительным трансформатором (Заявка Японии №51-35683, Н02Р 13/20), состоящий в том, что для каждого полупериода напряжения, формируемого на нагрузке, вводят синусоидальный сигнал, соответствующий длительности полупериода формируемого напряжения на нагрузке, вводят количество тактовых треугольных модулирующих сигналов, соответствующих необходимому количеству интервалов широтно-импульсной модуляции. Для каждого полупериода напряжения на нагрузке при совпадении значений амплитуды и фазы переднего фронта модулирующего сигнала со значением амплитуды и фазы синусоидального сигнала подключают нагрузку к источнику питания, при совпадении значений амплитуды и фазы заднего фронта модулирующего сигнала со значением амплитуды и фазы синусоидального сигнала отключают нагрузку от источника питания, и так далее для каждого интервала широтно-импульсной модуляции.

При таком способе управления низкие пульсации тока нагрузки можно достичь высокой частотой модуляции. Однако при высокой частоте модуляции возрастают коммутационные потери в силовых элементах инвертора, главным образом, полупроводниковых приборах, трансформаторном и реакторном оборудовании.

Известен однофазный инвертор, реализующий указанный способ управления (см. тот же источник), содержащий конденсатор, подключенный параллельно источнику питания, транзисторный мост, в диагональ которого подключен разделительный трансформатор, в одну из фаз первичной обмотки которого подключен сглаживающий реактор, а параллельно вторичной обмотке подключен сглаживающий конденсатор. Параллельно сглаживающему конденсатору подключена нагрузка.

При этом наличие сглаживающего реактора и емкостного фильтра приводит к дополнительным потерям мощности инвертора, значительному увеличению массо-габаритных показателей, а следовательно, и его стоимости.

При использовании подобного инвертора в высоковольтных приводах необходимо применение высоковольтных силовых полупроводниковых приборов, стоимость которых пропорциональна мощности приборов. В противном случае может потребоваться последовательное соединение приборов в каждом плече преобразователя, что ухудшит его габаритные и стоимостные показатели.

Наиболее близким, по технической сущности, является способ управления однофазным инвертором с выведенной средней точкой источника постоянного тока и соединенной с нагрузкой через разделительные трансформаторы (Б.Бедфорд, Р.Хофт. Теория автономных инверторов. М.: Энергия, 1969, с.280, на стр.168, 169). Сущность этого способа заключается в том, что вводят величину эффективного значения тока на нагрузке, противоположный полюс нагрузки подключают попеременно к положительной шине источника постоянного тока в один полупериод и к отрицательной шине источника постоянного тока в другой полупериод напряжения, формируемого на нагрузке, определяют эффективное значение тока на нагрузке и сравнивают полученное значение тока нагрузки с заданным, при отрицательной разности заданного и фактического эффективных значений тока нагрузки противоположный полюс нагрузки подключают попеременно к шинам источника постоянного тока на более короткий интервал времени, при положительной разности заданного и фактического эффективных значений тока нагрузки противоположный полюс нагрузки подключают попеременно к шинам источника постоянного тока на менее продолжительный интервал времени.

Такой способ управления инвертором не обеспечивает высокое качество преобразования энергии, что вызвано несинусоидальностью тока нагрузки с большой амплитудой пульсации, особенно с низкой частотой коммутации.

Указанный способ может быть реализован при управлении однофазным инвертором напряжения, принятым в качестве прототипа, который содержит положительную и отрицательную шины источника питания, параллельно источнику питания подключены четыре последовательно соединенных конденсатора, разделенных общими точками, из которых - два конденсатора положительной группы и два конденсатора отрицательной группы, параллельно конденсаторам каждой группы подключены две последовательно соединенные группы транзисторов, разделенных средним выводом - транзисторы положительной группы и транзисторы отрицательной группы, каждая группа транзисторов соединена общей точкой, имеющей связь с общей точкой конденсаторов положительной и отрицательной группы, к общей точке конденсаторов положительной группы и среднему выводу транзисторов положительной группы подключена первичная обмотка первого разделительного трансформатора, а к общей точке конденсаторов отрицательной группы и среднему выводу транзисторов отрицательной группы подключена первичная обмотка второго разделительного трансформатора, вторичные обмотки трансформаторов соединены между собой последовательно (Б.И.Хоменко, Г.И.Колпахчьян, И.В.Пехотский / Вспомогательные транзисторные преобразователи для перспективного ЭПС // Электровозостроение: Сб. науч. тр. ОАО "Всеросс. н-и. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения" (ОАО "ВЭлНИИ"). - Новочеркасск, 2003. - Т.45, с.188, рис.3, поз.3.2).

Недостатком указанного инвертора является необходимость использования мощного входного и выходного реакторного оборудования (дросселей) для сглаживания пульсаций тока. Кроме того, при работе с высокой частотой коммутации, вследствие тепловых потерь, обусловленных несинусоидальностью тока нагрузки, трансформатору может потребоваться принудительное охлаждение. Указанные признаки снижают функциональные возможности инвертора.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей инвертора путем снижения пульсаций тока, протекающего через разделительные трансформаторы.

Поставленная задача решается тем, что в способ управления однофазным инвертором напряжения, состоящий в том, что вводят величину эффективного значения тока на нагрузке, противоположный полюс нагрузки подключают попеременно к положительной шине источника постоянного тока в один полупериод и к отрицательной шине источника постоянного тока в другой полупериод напряжения, формируемого на нагрузке, определяют эффективное значение тока на нагрузке и сравнивают полученное значение тока с заданным, введены новые признаки - для формирования синусоидальной формы тока нагрузки вводят амплитуду заданного значения тока нагрузки, вводят значение допустимого отклонения тока нагрузки и определяют заданное мгновенное значение тока нагрузки по формуле

i_З=I_Зsinωt,

где I_З - амплитуда заданного значения тока;

ω - круговая частота напряжения нагрузки;

t - время,

при положительной полярности напряжения нагрузки подключают противоположный полюс нагрузки к положительной шине источника постоянного тока, пока ток нагрузки не достигнет суммы заданного значения и величины допустимого отклонения, отключают противоположный полюс нагрузки от положительной шины источника постоянного тока, пока ток не достигнет разности заданного значения и величины допустимого отклонения, подключают противоположный полюс нагрузки к положительной шине источника постоянного тока, пока ток нагрузки не достигнет суммы заданного значения и величины допустимого отклонения, отключают противоположный полюс нагрузки от положительной шины источника постоянного тока, пока ток не достигнет разности заданного значения и величины допустимого отклонения, и т.д. до конца положительного полупериода напряжения формируемого на нагрузке, при отрицательной полярности напряжения нагрузки подключают противоположный полюс нагрузки к отрицательной шине источника постоянного тока, пока ток нагрузки не достигнет суммы заданного значения и величины допустимого отклонения, отключают противоположный полюс нагрузки от отрицательной шины источника постоянного тока, пока ток не достигнет разности заданного значения и величины допустимого отклонения, подключают противоположный полюс нагрузки к отрицательной шине источника постоянного тока, пока ток не достигнет суммы заданного значения и величины допустимого отклонения, отключают противоположный полюс нагрузки от отрицательной шины источника постоянного тока, пока ток нагрузки не достигнет разности заданного значения и величины допустимого отклонения, и т.д. до конца отрицательного полупериода напряжения на нагрузке, после чего процесс повторяют для каждого полупериода напряжения, формируемого на нагрузке.

Таким образом, за счет введения новых признаков - формирования синусоидального тока в заданных границах допустимых значений снижаются пульсации тока, протекающего через разделительный трансформатор.

Поставленная задача решается также тем, что в известный однофазный инвертор напряжения, содержащий положительную и отрицательную шины источника питания, четыре последовательно соединенных конденсатора, подключенные параллельно источнику питания, разделенные общими точками, из которых два конденсатора положительной группы и два конденсатора отрицательной группы, параллельно конденсаторам каждой группы подключены две последовательно соединенные группы транзисторных модулей, каждый из которых состоит из транзистора со встречно-параллельно соединенным диодом, разделенных средним выводом - транзисторные модули положительной группы и транзисторные модули отрицательной группы, каждая группа транзисторных модулей соединена общей точкой, имеющей связь с общей точкой конденсаторов положительной и отрицательной группы, к общей точке конденсаторов положительной группы и среднему выводу транзисторных модулей положительной группы подключена первичная обмотка первого разделительного трансформатора, а к общей точке конденсаторов отрицательной группы и среднему выводу транзисторных модулей отрицательной группы подключена первичная обмотка второго разделительного трансформатора, вторичные обмотки трансформаторов соединены между собой последовательно, введены новые признаки - параллельно каждому конденсатору подключен транзистор, между транзисторами и конденсаторами каждой группы, подключенными к положительной и отрицательной шине источника питания, установлены диоды, причем диод положительной группы подключен анодом к положительной шине источника питания, а диод отрицательной группы подключен катодом к отрицательной шине источника питания. К вторичным обмоткам разделительного трансформатора подключена нагрузка.

Таким образом, за счет введения новых признаков - дополнительных диодов и транзисторов однофазный инвертор напряжения способен преобразовывать энергию с меньшими пульсациями тока, протекающего через разделительные трансформаторы.

Новым в предлагаемых технических решениях, в отличие от прототипов, является то, что предлагаемый однофазный инвертор напряжения и способ управления однофазным инвертором напряжения обеспечивают повышение качества преобразованной энергии - синусоидальную форму тока на нагрузке и, в частности, на разделительных трансформаторах, что приводит к улучшению качества преобразуемой энергии и к снижению потерь в разделительных трансформаторах за счет снижения в них пульсаций тока.

На фиг.1 показана схема однофазного инвертора напряжения;

на фиг.2 представлены осциллограммы электрических процессов однофазного инвертора напряжения при работе его с предложенным способом управления.

на фиг.3 представлено устройство, реализующее предложенный способ управления однофазным инвертором напряжения;

на фиг.4 представлена блок-схема алгоритма реализации способа управления однофазным инвертором напряжения.

Однофазный инвертор напряжения (фиг.1) содержит шины для подключения к источнику питания, из которых шина 1 положительной полярности, шина 2 отрицательной полярности, четыре последовательно соединенных конденсатора 9-12, подключенные параллельно источнику питания, разделенные общими точками, из которых конденсаторы 9 и 10 положительной группы, а конденсаторы 11 и 12 отрицательной группы. Параллельно конденсаторам каждой группы 9, 10 и 11, 12 подключены две последовательно соединенные группы транзисторных модулей соответственно 13, 14 и 15, 16, каждый из которых состоит из транзистора со встречно-параллельно соединенным диодом, разделенных средним выводом, транзисторные модули 13, 14 - положительной группы, а транзисторные модули 15, 16 - отрицательной группы, каждая группа транзисторных модулей соединена между собой общей точкой, имеющей связь с общей точкой конденсаторов положительной и отрицательной группы.

Параллельно каждому конденсатору 9-12 подключен транзистор соответственно 5-8. Между транзисторами и конденсаторами каждой группы, подключенными к положительной 1 и отрицательной шине 2 источника питания установлены диоды 3 и 4. Диод положительной группы 3 подключен анодом к положительной шине 1 источника питания, а диод отрицательной группы подключен катодом к отрицательной шине источника питания 2.

К общей точке конденсаторов положительной группы и среднему выводу транзисторных модулей положительной группы подключена первичная обмотка первого разделительного трансформатора 17, а к общей точке конденсаторов отрицательной группы и среднему выводу транзисторных модулей отрицательной группы подключена первичная обмотка второго разделительного трансформатора 18, вторичные обмотки трансформаторов 17 и 18 соединены между собой последовательно. Вторичные обмотки трансформаторов 17 и 18 могут быть соединены с любым взаимным расположением относительно друг друга (последовательно, параллельно или независимо). К вторичным обмоткам трансформаторов подключена нагрузка 19. Отвод реактивного тока нагрузки осуществляется через диоды транзисторных модулей 13-16. В качестве транзисторных модулей, состоящих из транзистора со встречно-параллельно соединенным диодом, могут быть использованы транзисторные модули IGBT (см. каталог фирмы Siemens).

Инвертор работает следующим образом.

Для формирования положительной полярности напряжения на обмотке трансформаторов 17 и 18 открывают транзисторы транзисторных модулей 13 и 15, для формирования отрицательной полярности напряжения на обмотке трансформаторов 17 и 18 открывают транзисторы транзисторных модулей 14 и 16, с длительностью, необходимой для реализации требуемых выходных параметров. При положительной полярности напряжения на нагрузке путь тока составит: шина 1 положительного потенциала источника питания, отсекающий диод 3, транзистор транзисторного модуля 13, первичная обмотка трансформатора 17, конденсатор 10, транзистор транзисторного модуля 15, первичная обмотка трансформатора 18, конденсатор 12, отсекающий диод 4, шина 2 отрицательного потенциала источника питания.

При отрицательной полярности напряжения на нагрузке путь тока составит: шина 1 положительного потенциала источника питания, отсекающий диод 3, конденсатор 9, транзистор транзисторного модуля 14, конденсатор 11, первичная обмотка трансформатора 18, транзистор транзисторного модуля 16, отсекающий диод 4, шина 2 отрицательного потенциала источника питания.

Приложение напряжения на нагрузке U_T (фиг.2) вызывает нарастание тока I_T, продолжительность фронтов которого определяется индуктивностью контура коммутации. С целью получения синусоидальной формы тока нагрузки организовано управление "токовый коридор", при котором регулирование нагрузки допускается в определенных границах с допустимым отклонением тока нагрузки от заданного значения. Величина "коридора" определятся как отношение разницы верхнего и нижнего значений тока за полупериод к среднему значению в процентах от среднего значения и может быть на уровне 10-20%.

При приложении напряжения к нагрузке в течение полупериода при открытых на протяжении всего положительного полупериода транзисторах 13 и 15 или при открытых на протяжении всего отрицательного полу периода транзисторах 14 и 16 и достижении током предельного заданного значения открывают транзистор соответствующей группы 5 и 7 (положительный полупериод напряжения нагрузки) или 6 и 8 (отрицательный полупериод напряжения нагрузки), что приводит к спаду тока нагрузки. По достижению током нагрузки минимального допустимого значения соответствующие транзисторы 5, 7 или 6, 8 закрывают. Этим обеспечивают синусоидальную форму тока на трансформаторах и нагрузке.

Способ управления реализуют микропроцессорной системой (фиг.3), состоящей из блока согласования (БС) 20, блока формирователей управляющих команд (БФ) 21, блока драйверов (БД) 22 силовых транзисторов однофазного инвертора ОИ 23, блока дискретного ввода-вывода (БДВВ) 24, блока аналогового ввода-вывода (БАВВ) 25, блока обработки сигналов (БОС) 26, процессора (МПК) 27, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 28, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 29, аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 30, объединенных шиной данных-адресов 31. Блоки 21, 22, 24-26 реализованы программно. Процессор 27, ОЗУ 28, ПЗУ 29 и АЦП 30 могут быть выполнены на базе микропроцессорного контроллера M167-1 Siemens (Infineon) SAB80C167 (каталог продукции АО "КАСКОД" "Бортовая и промышленная электроника", 189625, С-Петербург, Павловск, Фильтровское шоссе, 3 (тел. [phone]), с.66).

Блок согласования БС 20 выполняет согласование времени формирования полярности напряжения на нагрузке. На вход БС 20 и ОИ 23 подают значение напряжения источника питания U_C. Блок формирователей БФ 21 осуществляет определение фаз коммутации силовых полупроводниковых приборов, исходя из требований рабочей частоты и напряжения нагрузки 19. Блок драйверов 22 осуществляет контроль состояния силовых полупроводниковых приборов ОИ 23 и сопряжение сигналов управления процессора МПК 27. Блок обработки сигналов БОС 26 выполняет обработку сигналов, поступающих с АЦП 30, на предмет допустимых рабочих значений однофазного инвертора ОИ 23.

Способ реализуют алгоритмом, блок-схема которого приведена на фиг.4.

В начале каждого полупериода напряжения на нагрузке (блок 32) осуществляют ввод амплитуды заданного значения тока нагрузки I_З, ввод значения допустимого отклонения тока нагрузки ΔI от заданного значения тока нагрузки (блок 33), запуск таймера блока драйверов 22 (блок 34), ввод мгновенного значения тока нагрузки I_T (блок 35) и определение заданного мгновенного значения тока нагрузки (блок 36) по формуле

i_З=I_Зsinωt,

где I_З - амплитуда заданного значения тока;

ω - круговая частота питающего напряжения;

t - время, соответствующее данному моменту времени и содержимому таймера.

В блоке 37 формируют полярность полупериода напряжения на нагрузке и, в случае положительного полупериода (⁺/_-=1), в блоке 38 включают транзисторы транзисторных модулей VT1 и VT3. В блоке 40 проверяют достижение током нагрузки суммы заданного значения и допустимого отклонения. Допустимое отклонение ΔI заранее задают и заносят в ПЗУ 29. В случае достижения I_T значения суммы i_З+ΔI в блоке 40 через блок драйверов 23 включают транзисторы VT5, VT7 (блок 44), работающие в положительном полупериоде. В блоке 48 осуществляют установку флага "Y=1", означающую, что в начале следующего положительного полупериода транзисторы VT5, VT7 будут открыты, после чего процесс повторяют, начиная с блока 37.

Если ток нагрузки не достигает значения суммы i_З+ΔI, то в блоке 42 проверяют достижение током нагрузки нижней границы "токового коридора" i_З-ΔI и, в случае достижения, выключают транзисторы VT5, VT7 работающие в положительном полупериоде (блок 45). В блоке 49 осуществляют установку флага "Y=0", означающую, что в начале следующего положительного полупериода транзисторы VT5, VT7 будут закрыты, после чего процесс повторяют, начиная с блока 37.

В отрицательном полупериоде напряжения на нагрузке (⁺/_-=0) включают транзисторы транзисторных модулей VT2 и VT4 (блок 39), в случае достижения током нагрузки верхней отрицательной границы "токового коридора" (I_вх<i_З-ΔI, блок 41) через блок драйверов 23 включают транзисторы VT6 и VT8 (блок 47). В блоке 51 осуществляют установку флага "Y=1", означающую, что в начале следующего отрицательного полупериода транзисторы VT6, VT8 будут открыты, после чего процесс повторяют, начиная с блока 37. Если ток нагрузки не достигает значения разности i_З-ΔI, то в блоке 43 проверяют достижение током нагрузки нижней отрицательной границы "токового коридора" i_З-ΔI и, в случае достижения, выключают транзисторы VT6, VT8 работающие в отрицательном полупериоде (блок 46), после чего устанавливают значение флага "Y=0" (блок 50). Так продолжают до конца полупериода напряжения на нагрузке, после чего цикл алгоритма на фиг.4 повторяют. Поскольку ток нагрузки регулируется в заданных границах, снижаются пульсации тока, протекающего через разделительные трансформаторы.

Техническим результатом настоящего изобретения является снижение пульсаций тока, протекающего через разделительные трансформаторы, следствием чего является уменьшение потерь в разделительных трансформаторах. Согласно экспертным оценкам значение потерь энергии в инверторе может быть снижено не менее чем на 10-15%.

1. Способ управления однофазным инвертором напряжения с выведенной средней точкой источника постоянного тока и соединенной с нагрузкой через разделительные трансформаторы, состоящий в том, что противоположный полюс нагрузки подключают попеременно к положительной шине источника постоянного тока в один полупериод и к отрицательной шине источника постоянного тока в другой полупериод напряжения формируемого на нагрузке, отличающийся тем, что вводят амплитуду заданного значения тока нагрузки, вводят значение допустимого отклонения тока нагрузки и определяют заданное мгновенное значение тока нагрузки по формуле

i_З=I_Зsinωt,

где I_З - амплитуда заданного значения тока;

ω - круговая частота напряжения нагрузки;

t - время,

при положительной полярности напряжения нагрузки подключают противоположный полюс нагрузки к положительной шине источника постоянного тока, пока ток нагрузки не достигнет суммы заданного значения и величины допустимого отклонения, отключают противоположный полюс нагрузки от положительной шины источника постоянного тока, пока ток не достигнет разности заданного значения и величины допустимого отклонения, подключают противоположный полюс нагрузки к положительной шине источника постоянного тока, пока ток нагрузки не достигнет суммы заданного значения и величины допустимого отклонения, отключают противоположный полюс нагрузки от положительной шины источника постоянного тока, пока ток не достигнет разности заданного значения и величины допустимого отклонения и т.д. до конца положительного полупериода напряжения, формируемого на нагрузке, при отрицательной полярности напряжения нагрузки подключают противоположный полюс нагрузки к отрицательной шине источника постоянного тока, пока ток нагрузки не достигнет суммы заданного значения и величины допустимого отклонения, отключают противоположный полюс нагрузки от отрицательной шины источника постоянного тока, пока ток не достигнет разности заданного значения и величины допустимого отклонения, подключают противоположный полюс нагрузки к отрицательной шине источника постоянного тока, пока ток не достигнет суммы заданного значения и величины допустимого отклонения, отключают противоположный полюс нагрузки от отрицательной шины источника постоянного тока, пока ток нагрузки не достигнет разности заданного значения и величины допустимого отклонения и т.д. до конца отрицательного полупериода напряжения на нагрузке, после чего процесс повторяют для каждого полупериода напряжения, формируемого на нагрузке.

2. Однофазный инвертор напряжения, содержащий положительную и отрицательную шины источника питания, четыре последовательно соединенных конденсатора, подключенные параллельно источнику питания, разделенные общими точками, из которых два конденсатора положительной группы и два конденсатора отрицательной группы, параллельно конденсаторам каждой группы подключены две последовательно соединенные группы транзисторных модулей, каждый из которых состоит из транзистора со встречно-параллельно соединенным диодом, разделенных средним выводом - транзисторные модули положительной группы и транзисторные модули отрицательной группы, каждая группа транзисторных модулей соединена общей точкой, имеющей связь с общей точкой конденсаторов положительной и отрицательной группы, к общей точке конденсаторов положительной группы и среднему выводу транзисторных модулей положительной группы подключена первичная обмотка первого разделительного трансформатора, а к общей точке конденсаторов отрицательной группы и среднему выводу транзисторных модулей отрицательной группы подключена первичная обмотка второго разделительного трансформатора, вторичные обмотки трансформаторов соединены между собой последовательно, отличающийся тем, что параллельно каждому конденсатору подключен транзистор, между транзисторами и конденсаторами каждой группы, подключенными к положительной и отрицательной шине источника питания, установлены диоды, причем диод положительной группы подключен анодом к положительной шине источника питания, а диод отрицательной группы подключен катодом к отрицательной шине источника питания.