Способ стабилизации напряжения питания многоуровневого автономного инвертора напряжения

Способ может быть реализован в преобразователе частоты, содержащем два или более не связанных по выходу трехфазных тиристорных мостовых выпрямителя, два или более звена постоянного тока, содержащих конденсаторы; два или более каскадов автономного инвертора напряжения и систему управления. Для получения технического результата - минимизации пульсаций напряжения на конденсаторах звеньев постоянного тока на интервалах отсутствия потребления энергии тем или иным каскадом угол управления соответствующего выпрямителя увеличивается с текущего значения α_ном до максимального α_max=90 эл. град. для индуктивной нагрузки и α_max=120 эл. град. - для резистивной нагрузки. В результате пульсации напряжения, вызванные подзарядкой конденсатора в отсутствие потребления энергии, нейтрализуются. Способ не требует отслеживания мгновенных значений токов и напряжений преобразователя. Способ эффективен при работе инвертора в области низких и крайне низких частот до 0,1 Гц. 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в электротехнической, электроэнергетической, электрометаллургической, машиностроительной и электрохимической промышленности.

Уровень техники

Известен способ стабилизации напряжения питания на входе мостового трехфазного автономного инвертора, входящего в состав четырехквадрантного преобразователя частоты со звеном постоянного тока (ЗПТ), состоящим из реактора и конденсатора [1]. В качестве нагрузки рассматривается индукционная машина. Выпрямитель и инвертор управляются по алгоритмам широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и амплитудно-импульсной модуляции соответственно. Снижение пульсаций напряжения на конденсаторе ЗПТ осуществляется с использованием специальных контроллеров, регулирующих напряжение ЗПТ как воздействием на выпрямитель, так и инвертор, путем изменения коэффициентов глубины модуляции в зависимости от данных измерения постоянного напряжения ЗПТ и данных по текущей скорости вращения индукционной машины.

Недостатками данного способа являются сложность реализации системы управления, необходимость измерения мгновенных значений напряжения конденсатора ЗПТ и параметров режима нагрузки, преимущественное использование в преобразователях для двигательных нагрузок с переменной скоростью, где требуется ШИМ-управление силовыми ключами, что создает дополнительные большие коммутационные потери.

Известен способ управления многоуровневым симметричным преобразователем, позволяющий путем поддержания оптимальных углов управления силовыми ключами как выпрямителя, так и инвертора, как при однократных переключениях силовых ключей за один цикл, так и при использовании алгоритма ШИМ, регулировать напряжение в ЗПТ на выходе выпрямителя и поддерживать его равномерное распределение между конденсаторами ЗПТ [2]. Преобразователь состоит из многоуровневого выпрямителя и многоуровневого инвертора, выполненных по схеме с диодной фиксацией. Недостатками данного способа являются сложность определения оптимальных углов управления, особенно в зависимости от различных коэффициентов глубины модуляции при ШИМ, а также обязательное условие симметричности преобразователя, т.е. идентичности силовой схемы выпрямителя и инвертора.

Наиболее близким к предлагаемому способу стабилизации напряжения питания является способ, описанный в [3]. Способ реализован в преобразователе, содержащем два независимых источника постоянного напряжения, два конденсатора в ЗПТ, инвертор, состоящий из двух однофазных мостовых каскадов на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах (СПП). Для управления многоуровневым каскадным инвертором используются циклические последовательности переключения СПП инвертора, поддерживающие одинаковую токовую нагрузку СПП, а следовательно, и практически одинаковое распределение потерь мощности в них. Поддерживается симметричная нагрузка на конденсаторах ЗПТ и малые пульсации напряжения на них. Недостаток этого способа состоит в необходимости высокой (≈2,5 кГц) частоты коммутации силовых ключей инвертора, что создает высокие потери мощности в СПП инвертора. Кроме того, для реализации одной из предложенных последовательностей требуются данные измерений текущих значений тока и напряжения ЗПТ, а также тока и напряжения на выходе инвертора, что усложняет систему управления.

Сущность изобретения.

Задача изобретения - стабилизация напряжения на конденсаторах ЗПТ преобразователя частоты, т.е. напряжения питания многоуровневого автономного инвертора напряжения (АИН) при его работе.

Поставленная задача решается тем, что в преобразователе частоты, содержащем два или более мостовых тиристорных выпрямителя, то же количество ЗПТ и каскадов многоуровневого автономного инвертора напряжения, на интервалах времени отсутствия потребления энергии теми или иными каскадами многоуровневого АИН с соответствующих конденсаторов ЗПТ углы управления соответствующих выпрямителей устанавливаются равными 90 эл. град. для индуктивной нагрузки и 120 эл. град. для резистивной нагрузки, что переводит выпрямитель в режим нулевого тока и напряжения и исключает подпитывание конденсатора ЗПТ, вызывающее значительные пульсации напряжения, особенно при работе в диапазоне низких и крайне низких частот (до 0,1 Гц). Перевод углов управления тиристорного мостового выпрямителя в сторону максимальных значений осуществляется системой управления в моменты одновременного включения силовых ключей одного плеча соответствующих каскадов многоуровневого автономного инвертора напряжения.

Осуществление изобретения.

Сущность изобретения поясняют схема преобразователя частоты с ЗПТ и каскадным АИН на полностью управляемых СПП (фиг.1), а также формы напряжения на конденсаторах ЗПТ и нагрузке и эпюры расстановки импульсов управления (фиг.2). Преобразователь частоты, на котором реализован предлагаемый способ стабилизации напряжения питания многоуровневого автономного инвертора напряжения, содержит два не связанных по выходу тиристорных мостовых выпрямителя 1 и 2, два звена постоянного тока - 3 и 4, состоящие из конденсаторов 5 и 6; двухкаскадный автономный инвертор напряжения 7, нагрузку Z_н и систему управления 8. Расстановка импульсов управления двухкаскадным АИН приведена на фиг.2б. На полностью управляемые силовые полупроводниковые приборы (например, IGBT, IGCT) 9 и 10 верхнего плеча первого каскада подаются импульсы управления длительности T/2-β1-β2 в моменты β2+nT и β2+nT+T/2, где n=0, 1, 2, ..., T - период выходного напряжения инвертора, β1, β2 - углы управления СПП соответствующих каскадов многоуровневого автономного инвертора напряжения, а на силовые полупроводниковые приборы 11 и 12 нижнего плеча - импульсы длительности T/2+β1+β2 в моменты - β1+nT+T/2 и β1+nT соответственно. На СПП второго каскада подаются импульсы той же длительности - для СПП 13 и 14 верхнего плеча в моменты β1+nT и β1+nT+T/2, а для СПП 15 и 16 нижнего плеча - в моменты β2+nT+T/2 и β2+nT соответственно. Такая расстановка импульсов обеспечивает независимость формы напряжения от индуктивного характера нагрузки по принципу, описанному в [4]. Соответствующая форма напряжения U_н на нагрузке показана на фиг.2а.

В установившемся режиме значительные пульсации напряжения U_d1 и U_d2 на конденсаторах 5 и 6 наблюдаются на интервалах одновременного горения двух СПП одного плеча каскада многоуровневого автономного инвертора напряжения, например 11 и 12 или 15 и 16, что показано пунктирной линией на фиг.2г. На этих интервалах, которые обозначим как [nT/2-β1; nT/2+β2] и [nT/2-β2; nT/2+β1], происходит рост напряжения на конденсаторах, поскольку отсутствует потребление энергии соответствующими каскадами инвертора. Для минимизации пульсаций напряжения на конденсаторе 5 предлагается в моменты nT/2-β1 переводить системой управления 8 текущий угол управления α_ном тиристорного мостового выпрямителя 1 в течение интервала длительностью β1+β2 в максимальное значение α_max=90 эл. град. при индуктивной нагрузке и α_max=120 эл. град. при резистивной нагрузке, которому соответствует режим нулевого тока и напряжения (фиг. 2в) тиристорного мостового выпрямителя 1. Тогда конденсатор 5 на интервалах [nT/2-β1; nT/2+β2] не подзаряжается и имеют место только переходные процессы с малой амплитудой в моменты коммутаций каскадов, что показано на фиг.2г сплошной линией.

Аналогично для минимизации пульсаций напряжения на конденсаторе 6 в моменты nT/2-β2 текущий угол управления α_ном тиристорного мостового выпрямителя 2 переводится системой управления 8 в максимальное значение α_max=90 эл. град. при индуктивной нагрузке и α_max=120 эл. град. при резистивной нагрузке в течение интервала длительностью β1+β2 (фиг.2г), которому соответствует режим нулевого тока и напряжения тиристорного мостового выпрямителя 2. Тогда конденсатор 6 на интервалах [nT/2-β2; nT/2+β1] не подзаряжается и происходят процессы, описанные выше для конденсатора 5.

В предложенном способе нет необходимости анализа данных о мгновенных значениях напряжений и токов ЗПТ и нагрузки.

Таким образом, цель - стабилизация напряжения питания многоуровневого автономного инвертора - достигнута.

Источники информации

1. Kieferndorf F.D., Forster M., Lipo T.A. Reduction of DC-bus capacitor ripple current with PAM/PWM converter. IEEE Transactions on of Industry Applications, Vol.40, Issue 2, March-April 2004, pp.607-614.

2. Zhiguo Pan, Fang Zheng Peng, Keith A. Corzine, Victor R. Stefanovic, John M. Leuthen, Slobodan Gataric. Voltage Balancing Control of Diode-Clamped Multilevel Rectifier/Inverter Systems. IEEE Transactions on of Industry Applications, Vol.41, No.6, Nov/Dec 2005, p.p.1698-1706.

3. Martina Calais, Vaasilios G. Agelidis, Michael S. Dymond. When to Switch Which Switch in a Five Level Single Phase Cascaded Inverter. www.itee.uq.edu.au/˜aupec/aupec99/calais99.pdf.

4. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. Учебник для вузов. - M., Высш. школа, 1982.

Способ стабилизации напряжения питания многоуровневого автономного инвертора напряжения, входящего в состав преобразователя частоты со звеньями постоянного тока и содержащего не связанные по выходу тиристорные мостовые выпрямители и систему управления, заключающийся в том, что на интервалах времени нулевого потребления энергии одним или несколькими каскадами многоуровневого автономного инвертора напряжения угол управления соответствующего тиристорного мостового выпрямителя увеличивается до максимального значения 90 эл. град. для индуктивной нагрузки и 120 эл. град. для резистивной нагрузки, причем перевод угла управления тиристорного мостового выпрямителя в сторону максимальных значений осуществляется системой управления в моменты одновременного включения силовых ключей одного плеча соответствующих каскадов многоуровневого автономного инвертора напряжения.