Многоуровневый автономный инвертор фазных напряжений

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах регулируемого электропривода переменного тока и в системах вторичного электропитания. Техническим результатом изобретения является повышение качества регулируемого по уровню, частоте и форме многофазного переменного напряжения на выходе инвертора, уменьшение потерь мощности в транзисторных ключах инвертора. Для этого в известном инверторе, включающем параллельно соединенные ветви, каждая из которых содержит два транзисторных ключа 1, два одинаковых диода 2 и конденсатор 3, в каждой параллельной ветви к точке соединения транзисторных ключей дополнительно подключены Nϕ транзисторных ключа 1, где 2(Nϕ-1) - число уровней квантования выходного напряжения по амплитуде, к свободным выводам которых, являющимся дополнительными входами, подключены соответственно дополнительные 2(Nϕ -1) выхода от двухполярного многоуровневого источника постоянного напряжения 6, имеющего нулевой выход напряжения 5 с потенциалом напряженности электрического поля относительно земли, равным ϕ₀, и 2Nϕ выхода ненулевых различных напряжений 6 с потенциалами относительно нулевого выхода источника напряжения 5, равными с постоянной разностью потенциалов между соседними выходами источника напряжения 5 и 6, равной ΔU, и дополнительно введены 2(Nϕ-1) одинаковых конденсатора 3 и нулевой провод 4, соединяющий нулевой вход нагрузки 9 с нулевым выходом двухполярного многоуровневого источника напряжения 5, при этом конденсаторы 3 своими выводами соединены соответственно с соседними 2Nϕ+1 выходами двухполярного многоуровневого источника постоянного напряжения 5 и 6, точка соединения всех транзисторных ключей параллельной ветви образует выход фазы 7, к которому подключен вход фазы m-фазной нагрузки 8, причем все транзисторные ключи 1 имеют одинаковый предельный коммутируемый ток, а транзисторный ключ параллельной ветви 1, подключенный к выходу источника напряжения 6 с потенциалом относительно нулевого выхода источника, равным имеет предельное коммутируемое напряжение, равное предельному коммутируемому напряжению транзисторного ключа параллельной ветви 1, подключенного к выходу источника напряжения 6 с потенциалом относительно нулевого выхода источника, равным ±ϕ_Nϕ, умноженному на i/N_ϕ. 8 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах регулируемого электропривода переменного тока и в системах вторичного электропитания.

Известен трехфазный инвертор, содержащий три однофазных моста на управляемых ключах, в выходную цепь каждого из которых включена первичная обмотка одного из трех основных трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены в звезду и связаны с выходными выводами, а также три дополнительных трансформатора, первичные обмотки которых связаны с первичными обмотками основных трансформаторов, вторичные включены последовательно с одними из обмоток основного трансформатора, а в диагональ переменного тока каждого моста включены встречно-последовательно соединенные соответственно первичная обмотка основного трансформатора и вторичная обмотка дополнительного трансформатора, первичная обмотка которого включена между разноименными выводами диагонали переменного тока двух других мостов [1].

Известен инвертор со ступенчатой квазисинусоидальной формой выходного напряжения, содержащий мост силовых транзисторов, запараллеленных встречно с ними включенными диодами, формирующие конденсаторы, токоограничительные резисторы, зарядные транзисторы, разрядные транзисторы с последовательно с ними включенными блокирующими диодами и рекуперационный диод, при этом выходная диагональ моста образует выходные выводы инвертора, а входная диагональ первым выводом соединена с первым входным выводом инвертора и с первыми выводами формирующих конденсаторов, второй вывод каждого конденсатора через соответствующий зарядный транзистор с последовательно с ним включенным токоограничительным резистором подключен ко второму входному выводу инвертора и через соответствующий разрядный транзистор с последовательно с ним включенным блокирующим диодом - ко второму выводу входной диагонали моста силовых транзисторов, который через рекуперационный диод соединен со вторым входным выводом инвертора, причем, с целью повышения качества выходного напряжения в процессе регулирования его значения, число формирующих конденсаторов, зарядных транзисторов и разрядных транзисторов выбрано равным числу ступеней в полупериоде выходного напряжения [2].

Наиболее близким решением к заявленному изобретению является автономный инвертор напряжения с управлением по закону широтно-импульсной модуляции (ШИМ) выходных линейных напряжений, состоящий из трех параллельно соединенных ветвей (А, В и С), каждая из которых представляет собой последовательно соединенные два транзисторных ключа Т₀ и T₁, запараллеленных встречно включенными диодами Д и Д', причем ключ Т₀ запараллелен диодом Д', а ключ Т₁ - диодом Д [3] . Трехфазная нагрузка подключена каждым из своих выводов к одной из трех ветвей инвертора в точке соединения транзисторных ключей ветви Т₀ и T₁.

Недостатком известного инвертора является невозможность реализации для него синусоидального закона ШИМ, что не позволяет формировать выходное напряжение произвольной формы и приводит к неполной управляемости инвертора.

Другим недостатком известного инвертора является большой процент амплитуд высших гармоник по отношению к амплитуде основной гармоники выходного напряжения инвертора.

Третьим недостатком инвертора является то, что процент динамической составляющей потерь мощности в ключах инвертора по отношению к отдаваемой им в нагрузку полезной мощности возрастает с уменьшением этой отдаваемой в нагрузку мощности.

Задачей изобретения является повышение качества регулируемого по уровню, частоте и форме многофазного переменного напряжения на выходе инвертора, уменьшение потерь мощности в транзисторных ключах инвертора.

Для этого в известном инверторе, включающем параллельно соединенные ветви, каждая из которых содержит два транзисторных ключа, два одинаковых диода и конденсатор, в каждой параллельной ветви к точке соединения транзисторных ключей дополнительно подключены 2(N_ϕ-1) транзисторных ключа, где N_ϕ - число уровней квантования выходного напряжения по амплитуде, к свободным выводам которых, являющимся дополнительными входами, подключены соответственно дополнительные 2(N_ϕ-1) выхода от двухполярного многоуровневого источника постоянного напряжения, имеющего нулевой выход напряжения с потенциалом напряженности электрического поля относительно земли, равным ϕ₀, и 2N_ϕ выхода ненулевых различных напряжений с потенциалами относительно нулевого выхода источника напряжения, равными с постоянной разностью потенциалов между соседними выходами источника напряжения, равной ΔU, и дополнительно введены 2(N_ϕ-1) одинаковых конденсатора и нулевой провод, соединяющий нулевой вход нагрузки с нулевым выходом двухполярного многоуровневого источника напряжения, при этом конденсаторы своими выводами соединены соответственно с соседними 2N_ϕ+1 выходами двухполярного многоуровневого источника постоянного напряжения, точка соединения всех транзисторных ключей параллельной ветви образует выход фазы, к которому подключен вход фазы m-фазной нагрузки, причем все транзисторные ключи имеют одинаковый предельный коммутируемый ток, а транзисторный ключ параллельной ветви, подключенный к выходу источника напряжения с потенциалом относительно нулевого выхода источника, равным имеет предельное коммутируемое напряжение, равное предельному коммутируемому напряжению транзисторного ключа параллельной ветви, подключенного к выходу источника напряжения с потенциалом относительно нулевого выхода источника, равным умноженному на i/N_ϕ. На фиг.1 изображена схема трехфазного многоуровневого автономного инвертора фазных напряжений (МАИФН).

На фиг.2 показана схема питания МАИФН от автономного двухполярного многоуровневого источника постоянного напряжения.

На фиг. 3 показана схема питания МАИФН от трехфазного источника синусоидального напряжения.

На фиг.4 изображена схема многоуровневого выпрямителя (MB), осуществляющего преобразование нерегулируемого трехфазного переменного напряжения в двухполярное многоуровневое постоянное напряжение для питания МАИФН.

На фиг. 5, фиг.6, фиг.7, фиг.8 показана последовательность действий по формированию инвертором фазного напряжения произвольной формы на примере трехуровневого автономного инвертора фазных напряжений при формировании им напряжения, близкого к синусоидальному.

Многофазный многоуровневый автономный инвертор фазных напряжений состоит из m параллельно соединенных ветвей, каждая из которых содержит 2N_ϕ транзисторных ключа 1 (T_i и Т'_i, ), два одинаковых диода 2(Д и Д'), 2N_ϕ одинаковых конденсатора 3 (С_i, и С'_i, ) и дополнительно снабжен нулевым проводом 4. Двухполярный N_ϕ-уровневый источник питающего постоянного напряжения имеет нулевой выход 5 с потенциалом напряженности электрического поля относительно земли, равным ϕ₀, и 2N_ϕ выхода ненулевых различных напряжений 6 с потенциалами относительно нулевого выхода 5, равными с постоянной разностью потенциалов между соседними выходами напряжения, равной ΔU. Для образования параллельной ветви к каждому выходу источника 6, кроме нулевого выхода 5, подключено по одному транзисторному ключу 1, вторые выводы которых соединены между собой и образует выход фазы 7, к которому подключен вход фазы m-фазной нагрузки 8, фазы которой соединены в звезду, а диоды 2 подключены параллельно транзисторным ключам 1 крайних выходов питающего напряжения 6 с потенциалами относительно нулевого выхода 5 источника напряжения. Конденсаторы 3 соединяют соответственно соседние 2N_ϕ+1 выхода двухполярного многоуровневого источника постоянного напряжения 5, 6 и образуют многоуровневый фильтр нижних частот. Нулевой провод 4 соединяет нулевой вход нагрузки 9 с нулевым выходом 5 источника питающего напряжения.

Число фаз нагрузки (m) определяет число параллельных ветвей инвертора и может быть любым. Все транзисторные ключи должны иметь одинаковый предельный коммутируемый ток. Транзисторный ключ фазы 1, подключенный к выходу источника постоянного напряжения 6 с потенциалом относительно нулевого выхода источника напряжения 5, равным должен иметь предельное коммутируемое напряжение, равное предельному коммутируемому напряжению транзисторного ключа фазы 1, подключенного к выходу источника постоянного напряжения 6 с потенциалом относительно нулевого выхода источника напряжения 5, равным умноженному на i/N_ϕ. Транзисторные ключи со структурой "nрn" к выходам источника напряжения 6 с положительными потенциалами относительно нулевого выхода 5 должны быть подключены коллекторами, а к выходам источника напряжения 6 с отрицательными потенциалами относительно нулевого выхода 5 - эмиттерами. Транзисторные ключи со структурой "рnр" к выходам источника напряжения 6 с положительными потенциалами относительно нулевого выхода 5 должны быть подключены эмиттерами, а к выходам источника напряжения 6 с отрицательными потенциалами относительно нулевого выхода 5 - коллекторами.

Устройство работает следующим образом. С выходов внешнего двухполярного многоуровневого источника постоянного напряжения 6 на входы схемы МАИФН поступает двухполярное многоуровневое постоянное напряжение. Многоуровневый фильтр нижних частот (МФНЧ), состоящий из конденсаторов 3, формирует канал многоуровневого постоянного напряжения с малыми коэффициентами пульсации гармоник этого напряжения. Транзисторные ключи 1 каждой параллельной ветви инвертора, образующей свою фазу инвертора, попеременно открываясь и закрываясь, формируют напряжение этой фазы произвольной формы в виде разности потенциалов напряжения между нулевым проводом инвертора 4 и выходом фазы инвертора 7, к которому подключен вход фазы нагрузки 8. Диоды 2 каждой фазы инвертора выполняют функцию обеспечения возможности возврата энергии от нагрузки к источнику в случае несовпадения по знаку напряжения и тока фазы.

В процессе работы МАИФН в любой момент времени в фазе инвертора в открытом состоянии находится лишь один транзисторный ключ 1. При этом к фазе нагрузки через транзисторные ключи 1 фазы инвертора попеременно прикладываются различные уровни постоянного напряжения. В результате формируется регулируемое многофазное переменное напряжение.

На фиг. 2 изображена схема питания МАИФН от автономного двухполярного многоуровневого источника постоянного напряжения, а на фиг.3 изображена схема питания МАИФН от трехфазного источника синусоидального напряжения. На изображениях нагрузкой является трехфазная обмотка статора асинхронного двигателя (АД), соединенная в звезду. В первом случае (фиг.2) МАИФН питается от 2N_ϕ последовательно соединенных одинаковых автономных источников постоянного напряжения Е (область применения: электротранспорт, космонавтика и пр. ). Во втором случае (фиг.3) МАИФН питается от трехфазной сети синусоидального напряжения (область применения: промышленный электропривод переменного тока общего назначения, источники бесперебойного питания и пр.). Здесь для питания МАИФН необходимо обеспечить преобразование нерегулируемого трехфазного переменного напряжения в двухполярное многоуровневое постоянное напряжение, которое выполняет многоуровневый выпрямитель. На фиг.4 показана схема N_ϕ-уровневого выпрямителя, осуществляющего данное преобразование.

В схеме источник синусоидального трехфазного переменного напряжения подключен к первичной обмотке трансформатора TV, питающего трехфазные диодные мосты, число которых равно N_ϕ. Трансформатор TV имеет одну трехфазную первичную и одну трехфазную вторичную обмотки. Фазы первичной обмотки трансформатора могут быть соединены звездой или треугольником. Фазы вторичной обмотки трансформатора TV соединены звездой и содержат помимо нулевого вывода от центра звезды с потенциалом напряженности электрического поля относительно земли, равным ϕ₀, дополнительно по N_ϕ выводов каждая. Между соседними выводами фазы вторичной обмотки трансформатора должно быть одинаковое число витков. От каждой фазы вторичной обмотки трансформатора i-й вывод ( нумерация производится от нулевого вывода) соединен с одной из трех запараллеленных ветвей трехфазного i-го диодного моста, состоящей из двух последовательно соединенных диодов Д_i и Д'_i, причем вывод подключен к точке соединения этих диодов. Точки параллельного соединения трех ветвей i-го диодного моста образуют выводы с потенциалами формируемого постоянного пульсирующего напряжения относительно нулевого вывода, равными ±ϕ_i. Диоды мостов должны иметь одинаковый предельный коммутируемый ток. Диоды i-го моста должны иметь предельное обратное напряжение, равное предельному обратному напряжению диодов N_ϕ-го моста, умноженному на i/N_ϕ. Формирование регулируемого многофазного переменного напряжения осуществляется путем одновременного применения квантования фазного напряжения по уровню и широтно-импульсной модуляции фазного напряжения. Частота дискретизации ШИМ должна сохраняться одновременно прямо пропорциональной частоте формируемого инвертором напряжения и обратно пропорциональной амплитуде его основной гармоники. Совместное применение ШИМ фазного напряжения и квантования фазного напряжения по уровню выполняется так, как показано на примере трехуровневого автономного инвертора фазных напряжений на фиг.5, фиг.6, фиг. 7 и фиг.8 (N_ϕ=3, Т_ШИМ=Т/48, где T_ШИМ - период дискретизации ШИМ, Т - период формируемого напряжения) при формировании напряжения, близкого к синусоидальному с амплитудным значением U_m=3ΔU.

Сначала фазное желаемое напряжение u_фж,[t,U_m,ω) квантуется по уровню с шагом квантования ΔU, причем так, чтобы формируемый ступенчатый сигнал оказался вписанным внутри желаемого сигнала (фиг.5). Затем определяется разность напряжений Полученная разность по модулю не может превышать шаг квантования ΔU (фиг. 6). К найденной разности применяется широтно-импульсная модуляция с частотой дискретизации ШИМ f_шим= 1/T_шим. Для этого на каждом периоде Т_ШИМ определяется площадь под кривой u_фр(t, U_m, ω) и формируется прямоугольный импульс высотой ΔU той же площади, расположенный симметрично относительно середины Т_ШИМ. В результате получается зависимость u_ф ^ШИМ(t, U_m, ω), как показано на фиг. 7. После этого определяется формируемое инвертором фазное напряжение (фиг.8): Иcточники информации 1. Авторское свидетельство 1187238, М.Кл. Н 02 М 7/537.

2. Авторское свидетельство 1677831, М.Кл. Н 02 М 7/5395.

3. Эпштейн И. И. Автоматизированный электропривод переменного тока. - М. : Энергоиздат, 1982, 192 с., ил.

Формула изобретения

Многоуровневый автономный инвертор фазных напряжений, включающий параллельно соединенные ветви, каждая из которых содержит два транзисторных ключа, два одинаковых диода и конденсатор, отличающийся тем, что в каждой параллельной ветви к точке соединения транзисторных ключей дополнительно подключены 2(Nϕ-1) транзисторных ключа, где Nϕ - число уровней квантования выходного напряжения по амплитуде, к свободным выводам которых, являющимся дополнительными входами, подключены соответственно дополнительные 2(Nϕ-1) выхода от двухполярного многоуровневого источника постоянного напряжения, имеющего нулевой выход напряжения с потенциалом напряженности электрического поля относительно земли, равным φ₀, и 2Nϕ выхода ненулевых различных напряжений с потенциалами относительно нулевого выхода источника напряжения, равными с постоянной разностью потенциалов между соседними выходами источника напряжения, равной ΔU, и дополнительно снабжен 2(Nϕ-1) одинаковыми конденсаторами и нулевым проводом, соединяющим нулевой вход нагрузки с нулевым выходом двухполярного многоуровневого источника напряжения, при этом конденсаторы своими выводами соединены соответственно с соседними 2Nϕ+1 выходами двухполярного многоуровневого источника постоянного напряжения, точка соединения всех транзисторных ключей параллельной ветви образует выход фазы, к которому подключен вход фазы m-фазной нагрузки, причем все транзисторные ключи имеют одинаковый предельный коммутируемый ток, а транзисторный ключ параллельной ветви, подключенный к выходу источника напряжения с потенциалом относительно нулевого выхода источника, равным имеет предельное коммутируемое напряжение, равное предельному коммутируемому напряжению транзисторного ключа параллельной ветви, подключенного к выходу источника напряжения с потенциалом относительно нулевого выхода источника, равным ±ϕ_Nϕ, умноженному на i/Nϕ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8