Трехуровневый инвертор напряжения

Авторы патента:

Гельвер Федор Андреевич (RU)

H02M7/487 - Преобразование энергии переменного тока на входе в энергию постоянного тока на выходе; преобразование энергии постоянного тока на входе в энергию переменного тока на выходе

Владельцы патента RU 2644384:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" (RU)

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к преобразователям электрической энергии напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока (инверторам), и может быть использовано в составе двухзвенных преобразователей частоты либо в электроэнергетических системах с питанием от источника постоянного тока. Техническим результатом является сокращение числа силовых транзисторов в схеме трехуровневого инвертора напряжения, а также повышение надежности, упрощение силовой схемы и системы управления, снижение веса, габаритов. Кроме того, силовая схема трехуровневого инвертора напряжения обладает достаточной универсальностью, позволяющей функционально совместить режимы работы инвертора напряжения при двухуровневой синусоидальной ШИМ либо трехуровневой синусоидальной ШИМ. Технический результат достигается тем, что в схему трехуровневого инвертора напряжения добавлены однофазный двухполупериодный выпрямитель и новые связи, позволяющие реализовать режим работы трехуровневого инвертора при меньшем количестве транзисторов. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Известно устройство однофазного мостового автономного инвертора напряжения [патент RU 2421870, кл. Н02М 7/53846, авторы патента: Иванов А. Г., Арзамасов В.Л., дата выдачи 20.06.2011], содержащего мостовой преобразователь, выполненный на четырех диодах и четырех транзисторах. В представленном устройстве реализуется преобразование постоянного напряжения в однофазное напряжение переменного тока.

Известна схема двухуровнего инвертора напряжения преобразователя частоты [патент RU 2491702 С2, кл. Н02М 5/00, авторы патента: Гельвер Ф.А., Махонин С.В., дата 22.08.2011], содержащего шесть силовых транзисторов с антипараллельными диодами. Данные шесть транзисторов образуют трехфазный двухуровневый инвертор напряжения.

Недостаток устройства заключается в том, что в выходном напряжении инвертора содержатся значительные гармонические искажения. Еще одним из недостатков известной схемы двухуровнего инвертора напряжения является большое значение потерь в силовых полупроводниковых элементах и, как следствие, небольшой КПД по сравнению со схемами трехуровневых инверторов напряжения.

Известно устройство трехуровнего инвертора напряжения с нулевой точкой [патент СА 254,3023 A1, DC voltage balance control for three-level NPC power converters with even order harmonic elimination scheme, класс H02M 1/08, H02M 7/797, H02M 7/68, авторы патента: Feng Weixing W., Xu Dewei, Liu Congwei, Wu Bin, дата 12.04.2006], содержащего конденсаторы звена постоянного тока, двенадцать транзисторов с антипараллельными диодами и шесть кламперных диодов, образующих трехуровневый инвертор напряжения с нулевой точкой. Достоинством такой схемы является то, что такая схема имеет больший КПД, а в выходном синусоидальном напряжении содержится меньше неосновных гармоник.

Недостатком данного инвертора напряжения является наличие большого числа силовых полупроводниковых приборов. Еще одним из недостатков известного трехуровнего инвертора напряжения является то, что при включении двух верхних (двух нижних) транзисторов напряжение на двух нижних (верхних) транзисторах может распределяться неравномерно, что требует установки дополнительных цепей принудительного распределения напряжения.

Наиболее близким и принятым за прототип по технической сущности является схема инвертора напряжения [патент CN 104092400 А, кл. Н02М 7/5395, 08.10.2014], содержащая трехуровневый инвертор напряжения, построенный по Т-образной схеме. В данной схеме каждое плечо инвертора содержит четыре транзистора с антипараллельными диодами. Достоинством такой схемы является то, что данная схема имеет меньшее количество полупроводниковых элементов, а следовательно, меньшее значение статических потерь и менее сложную систему управления как аппаратную, так и алгоритмическую. Большим достоинством известной схемы является то, что в каждый момент времени определен потенциал на каждом из полупроводниковых элементов и нет необходимости в установке дополнительных цепей принудительного распределения напряжения. Известная схема помимо отмеченных достоинств является более простой и надежной по сравнению со схемой трехуровневого инвертора напряжения с нулевой точкой. Качество формируемого напряжения на выходе трехуровнего инвертора построенного по Т-образной схеме находиться на том же уровне что и качество напряжения формируемого инвертором на базе трехуровнего инвертора с нулевой точкой.

Недостатком известной схемы остается большое число полностью управляемых силовых ключей - транзисторов.

Задачей предлагаемого изобретения является сокращение числа полностью управляемых силовых ключей - транзисторов инвертора напряжения, а следовательно, сокращение числа драйверов силовых транзисторов и значительное упрощение системы управления. Предложенный трехуровневый инвертор напряжения позволит повысить надежность, эффективность и улучшить габаритные и эксплуатационные характеристики инвертора напряжения. Еще одним из достоинств предложенной схемы трехуровнего инвертора напряжения является простота силовой части и простота реализации алгоритма управления силовыми транзисторами по алгоритму двухуровнего ШИМ либо алгоритму трехуровнего ШИМ. Предложенный трехуровневый инвертор напряжения может быть использован в составе преобразователя частоты.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в трехуровневом инверторе напряжения, содержащем систему управления, два конденсатора подключенных параллельно двум последовательно соединенным источникам постоянного напряжения и образующих плюсовую, нулевую и минусовую шины и инвертора напряжения содержащего плечи инвертора, количество которых равно числу выходных фаз, каждое из плеч инвертора напряжения содержит три транзистора каждый из которых содержит анти-параллельно подключенный диод, причем коллектор первого транзистора соединен с плюсовой шиной источника постоянного напряжения эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора эмиттер, которого соединен с минусовой шиной источника постоянного напряжения, к общей точке соединений первого и второго транзисторов подключен выход плеча инвертора напряжения, предусмотрены следующие отличия: данная схема содержит однофазные двухполупериодные выпрямители, количество которых равно числу выходных фаз инвертора напряжения то есть в каждом плече инвертора напряжения содержится по одному однофазному двухполупериодному выпрямителю причем первый вывод переменного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя соединен с общей точкой соединения первого и второго транзисторов, а второй вывод переменного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя соединен с нулевой шиной источников постоянного напряжения, положительный вывод однофазного двухполупериодного выпрямителя соединен коллектором третьего транзистора эмиттер которого соединен с минусовым выводом однофазного двухполупериодного выпрямителя.

Кроме того, предложенный трехуровневый инвертор напряжения дополнительно содержит контактор с катушкой и нормально разомкнутыми контактами, число которых равно числу выходных фаз инвертора напряжения, причем катушка контактора подключена к системе управления, а каждый из контактов, число которых равно числу плеч инвертора напряжения включен в каждом из плеч инвертора напряжения между общей точкой соединения первого, второго транзистора с выходом инвертора напряжения и первым выводом переменного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

Трехуровневый инвертор напряжения, схема которого представлена на Фиг. 1, содержит систему управления 1, два конденсатора 2, 3 подключенных параллельно двум последовательно соединенным источникам постоянного напряжения 4, 5 и образующих плюсовую 6, нулевую 7 и минусовую 8 шины и инвертора напряжения 9. Инвертор напряжения 9 содержит плечи инвертора 10-1÷10-n, количество которых равно числу выходных фаз. Каждое из плеч инвертора 10-1÷10-n содержит три транзистора 11-13, каждый из которых содержит антипараллельно подключенный диод. Коллектор первого транзистора 11 соединен с плюсовой шиной 6 источника постоянного напряжения 4, эмиттер первого транзистора 11 соединен с коллектором второго транзистора 12, эмиттер которого соединен с минусовой шиной 8 источника постоянного напряжения 5. К общей точке соединений первого и второго транзисторов 11, 12 подключен выход L1 (L2÷Ln) плеча 9-1 (9-2÷9-n) инвертора напряжения 9. Инвертор напряжения 9 содержит однофазные двухполупериодные выпрямители 14-1÷14-n, количество которых равно числу выходных фаз инвертора напряжения 9, то есть в каждом плече 10-1÷10-n инвертора напряжения содержится по одному однофазному двухполупериодному выпрямителю 14-1 (14-2÷14-n). Первый вывод переменного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя 14-1 (14-2÷14-n) соединен с общей точкой соединения первого и второго транзисторов 11, 12, а второй вывод переменного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя 14-1 (14-2÷14-n) соединен с нулевой шиной 7 источников постоянного напряжения 4, 5. Положительный вывод однофазного двухполупериодного выпрямителя 14-1 (14-2÷14-n) соединен коллектором третьего транзистора 13, эмиттер которого соединен с минусовым выводом однофазного двухполупериодного выпрямителя 14-1 (14-2÷14-n).

Трехуровневый инвертор напряжения, схема которого представлена на Фиг. 2, дополнительно содержит контактор с катушкой 15 и нормально разомкнутыми контактами 16-1÷16-n, число которых равно числу выходных фаз инвертора напряжения 9. Катушка контактора 15 подключена к системе управления 1. Каждый из контактов 16-1 (16-2÷16-n), число которых равно числу плеч 10-1÷10-n инвертора напряжения 9, включен в каждом из плеч 10-1÷10-n инвертора напряжения 9. Контакт 16-1 (16-2÷16-n) включен между общей точкой соединения первого 11, второго 12 транзистора с выходом L1 (L2÷Ln) инвертора напряжения 9 и первым выводом переменного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя 14-1 (14-2÷14-n).

Работа трехуровнего инвертора напряжения (Фиг. 1) происходит следующим образом. В системе управления 1 синтезируются функции управления ключами по следующему алгоритму;

1) формируются напряжения управления (U_10-1, U_10-2 … U_10-n) каждого из плеч 10-1÷10-n инвертора напряжения 9

где K_мод - коэффициент модуляции, ω=2⋅π⋅f - угловая частота вращения напряжения управления, f - частота напряжения управления;

2) формируются два опорных напряжения (U_оп+, U_оп-)

где ω_нес=2⋅π⋅f_нес - угловая частота вращения опорного напряжения, f_нес - несущая частота опорного напряжения;

3) синтезируются функции управления транзисторами 11-13 каждого из плеч 10-1÷10-n инвертора напряжения 9

где sign(x) - знак числа х.

На Фиг. 3 изображены: на первой осциллограмме напряжение управления U_10-1, опорные напряжения U_оп+, U_оп-; на второй осциллограмме - функция управления первым транзистором 11 (VT_{11 (10-1)}) первого плеча 10-1; на третьей осциллограмме - функция управления третьим транзистором 13 (VT_{13 (10-1)}) первого плеча 10-1; на четвертой осциллограмме - функция управления вторым транзистором 12 (VT_{12 (10-1)}) первого плеча 10-1.

На Фиг. 4 изображена осциллограмма линейного напряжения на выходе трехуровнего инвертора напряжения при параметрах напряжения управления и опорного напряжения K_мод=0.9, f=50 Гц, f_нес=1000 Гц, суммарным напряжением на двух конденсаторах 2, 3 звена постоянного тока U_d=932 В, характер нагрузки - активно-индуктивный.

На Фиг. 5 изображена осциллограмма фазного напряжения на активно-индуктивной нагрузке при параметрах напряжения управления и опорного напряжения K_мод=0.9, f=50 Гц, f_нес=1000 Гц, и суммарным напряжением на двух конденсаторах 2, 3 звена постоянного тока U_d=932 В.

Трехуровневый инвертор напряжения, схема которого представлена на Фиг. 2, работает следующим образом. В штатном режиме, когда исправны все третьи транзисторы 13 и все однофазные двухполупериодные выпрямители 14-1÷14-n каждого плеча 10-1÷10-n инвертора напряжения 9, система управления подаст питание на катушку управления 15 контактора, который, сработав, включит контакты 16-1÷16-n, и схема трехуровнего инвертора напряжения будет собрана аналогично схеме, изображенной на Фиг. 1, и алгоритм управления транзисторами 11-13 каждого из плечей 10-1÷10-n инвертора напряжения 9 аналогичен алгоритму управления трехуровнего инвертора напряжения, изображенного на Фиг. 1.

В случае отказа либо выхода из строя одного или нескольких третьих транзисторов 13 или однофазного двухполупериодного выпрямителя 14-1 (14-2÷14-n) плеча 10-1 (10-2÷10-n) инвертора напряжения 9 система управления отключит катушку управления 15 контактора, который выключит контакты 16-1÷16-n. Схема трехуровнего инвертора напряжения будет собрана по классической схеме двухуровнего инвертора напряжения, а функции управления первого 11 и второго 12 транзисторов каждого плеча 10-1÷10-n инвертора напряжения 9 изменятся по алгоритму управления классической двухуровневой ШИМ.

На Фиг. 6 изображена схема трехфазного преобразователя частоты на базе трехуровнего инвертора напряжения, содержащего всего девять инверторных транзисторов 11-13 всех трех плеч 10-1, 10-2, 10-3 инвертора 9, двух тормозных прерывателей 17 с тормозными резисторами 18, 19 и выпрямителя 20, собранного на двух последовательно соединенных выводами постоянного тока трехфазных двухполупериодных выпрямителях 21, 22. Схема трехфазного преобразователя частоты на базе трехуровнего инвертора напряжения отличается универсальностью, простотой схемотехнической реализации и высокой степенью надежности.

Таким образом, предлагаемый трехуровневый инвертор напряжения позволит сократить число полностью управляемых силовых ключей - транзисторов. Такое схемное решение позволит сократить число драйверов силовых транзисторов и значительно упростить систему управления. Предложенный инвертор напряжения позволяет повысить надежность, эффективность и улучшить габаритные и эксплуатационные характеристики инвертора напряжения и преобразователя частоты на его основе, что выгодно отличает его от прототипа.

1. Трехуровневый инвертор напряжения содержит систему управления, два конденсатора, подключенных параллельно двум последовательно соединенным источникам постоянного напряжения и образующих плюсовую, нулевую и минусовую шины, и инвертора напряжения, содержащего плечи инвертора, количество которых равно числу выходных фаз, каждое из плеч инвертора напряжения содержит три транзистора, каждый из которых содержит антипараллельно подключенный диод, причем коллектор первого транзистора соединен с плюсовой шиной источника постоянного напряжения, эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора, эмиттер которого соединен с минусовой шиной источника постоянного напряжения, к общей точке соединений первого и второго транзисторов подключен выход плеча инвертора напряжения, отличающийся тем, что содержит однофазные двухполупериодные выпрямители, количество которых равно числу выходных фаз инвертора напряжения, то есть в каждом плече инвертора напряжения содержится по одному однофазному двухполупериодному выпрямителю, причем первый вывод переменного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя соединен с общей точкой соединения первого и второго транзисторов, а второй вывод переменного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя соединен с нулевой шиной источников постоянного напряжения, положительный вывод однофазного двухполупериодного выпрямителя соединен с коллектором третьего транзистора, эмиттер которого соединен с минусовым выводом однофазного двухполупериодного выпрямителя.

2. Трехуровневый инвертор напряжения по п. 1, отличающийся тем, что содержит контактор с катушкой и нормально разомкнутыми контактами, число которых равно числу выходных фаз инвертора напряжения, причем катушка контактора подключена к системе управления, а каждый из контактов, число которых равно числу плеч инвертора напряжения, включен в каждом из плеч инвертора напряжения между общей точкой соединения первого, второго транзистора с выходом инвертора напряжения и первым выводом переменного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в упрощении замены источника питания.

Многоуровневый преобразователь // 2640038

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в многоуровневом преобразователе. Техническим результатом является снижение вибраций в многоуровневом преобразователе.

Силовой преобразователь и способ его работы // 2636749

Использование – в области электротехники. Технический результат – повышение надежности и безопасности силового преобразователя.

Многоуровневое силовое преобразовательное устройство // 2634910

Изобретение относится к области преобразовательной техники. Многоуровневое силовое преобразовательное устройство содержит: N источников (DCC1-DCCN) питания постоянного тока (N≥1), соединенных последовательно и являющихся общими для каждой фазы; первые навесные конденсаторы (FC1, FC3, …, FC2N-1), один конец которых соединен с отрицательным электродным выводом каждого из источников (DCC1-DCCN) питания постоянного тока и является общим для каждой фазы; вторые навесные конденсаторы (FC2, FC4, …, FC2N), один конец которых соединен с положительным электродным выводом каждого из источников (DCC1-DCCN) питания постоянного тока и является общим для каждой фазы; и фазовый модуль, использующий, в качестве входных клемм, положительные и отрицательные электродные выводы первых навесных конденсаторов (FC1, FC3, …, FC2N-1) и положительные и отрицательные электродные выводы вторых навесных конденсаторов (FC2, FC4, …, FC2N).

Система и способ для мощного преобразователя постоянного тока в постоянный ток // 2634675

Изобретение относится к области электротехники. Раскрыты устройство и способ преобразования напряжения.

Регулируемый электропривод переменного тока // 2629009

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании электропривода с трехфазным двигателем, питаемыми от многоуровневого инвертора на управляемых полупроводниковых приборах (УПП) (транзисторах или запираемых тиристорах), шунтированных «обратными» диодами.

Преобразовательный узел с параллельно включенными многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями, а также способ управления им // 2629005

Изобретение относится к области электротехники и может быть использован многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями. Техническим результатом является уменьшение доли верхних гармоник выходного переменного напряжения.

Цепь развязки звена постоянного тока для параллельных инверторов // 2620580

Изобретение относится к области электротехники. Цепь развязки звена постоянного тока выполняется в комбинации с двумя инверторами, которые подключены параллельно к общей линии электропитания постоянного тока, и каждый инвертор приводит в действие один из различных тяговых двигателей, для каждого из упомянутых двух инверторов предусмотрено средство выключения для отсоединения соответствующего инвертора от упомянутой линии электропитания в случае отказа.

Усовершенствованная система жесткой предварительной зарядки для параллельных инверторов // 2620128

Изобретение относится к области электротехники. Усовершенствованная система жесткой предварительной зарядки в тяговой системе для железной дороги содержит по меньшей мере два различных двигателя, каждый двигатель управляется с помощью по меньшей мере одного из двух инверторов, которые параллельно подключены к общей линии питания, которая подает сигнал питания постоянного тока с помощью соответствующего звена постоянного тока, при этом для каждого из упомянутых двух инверторов предусмотрен разъединитель, который отсоединяет соответствующий инвертор от упомянутой линии питания, каждый инвертор, кроме того, подключен к общей линии питания с помощью батареи конденсаторов фильтра и средства для предварительной зарядки указанных батарей конденсаторов, при этом средство предварительной зарядки содержит шунтирующий резистор и автоматический переключатель питания, который переключает сигнал питания постоянного тока на упомянутый шунтирующий резистор как только напряжение превысит заранее заданный порог.

Источник синусоидального напряжения // 2616189

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника синусоидального напряжения в системах электроснабжения автономных объектов.

Способ преобразования переменного тока в постоянный ток и соответствующее устройство // 2647706

Изобретение относится к способу преобразования переменного тока в постоянный ток. Технический результат состоит в повышении надежности преобразования за счет ограничения амплитуды пусковых токов. Для этого преобразователь содержит трехфазный мост, в котором по меньшей мере одно плечо включает в себя первый ключ и второй ключ, установленные последовательно, при этом способ содержит этап регулирования выходного постоянного напряжения, который осуществляется преобразователем. Способ также содержит переходный этап, предшествующий этапу регулирования, при этом на переходном этапе формируют сигналы для управления первым и вторым ключами, которые позволяют ограничивать амплитуду пусковых токов при подключении преобразователя к сети переменного тока. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 15 ил., 1 табл.

Способ эксплуатации параллельных вспомогательных преобразователей в рельсовом транспортном средстве // 2648494

Группа изобретений относится к подаче электроэнергии к вспомогательному оборудованию транспортных средств. Способ снабжения электрических потребителей (3, 31, 32) транспортного средства электрической энергией с помощью вспомогательных преобразователей (1, 11, 12) заключается в том, что вспомогательные преобразователи приводятся в действие с синхронизацией по основной волне и импульсной синхронизацией. При этом в случае замыкания на землю протекание тока между вспомогательными преобразователями (1, 11, 12) и заземленным N-проводом (N) сети энергоснабжения прерывается. Вспомогательные преобразователи включены параллельно на стороне переменного напряжения. Кроме того, заявлена системе (5) энергоснабжения транспортного средства, особенно рельсового транспортного средства, для осуществления вышеуказанного способа. Технический результат заключается в непрерывном электроснабжении потребителей транспортного средства при коротком замыкании. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.