Однофазный инвертор с амплитудно-импульсной модуляцией
SINGLE-PHASE INVERTER WITH PULSE-AMPLITUDE MODULATION

Изобретение относится к области силовой электроники и предназначено для генерации напряжения с низким содержанием гармонических составляющих.
Известен многоуровневый инвертор напряжения с плавающими конденсаторами [1], включающий цепочку последовательно соединенных силовых ключей с обратными шунтирующими диодами и набор независимых конденсаторов, попарно шунтирующих силовые ключи, что обеспечивает низкие коммутационные потери. Недостатками данного инвертора являются высокие массогабаритные показатели и стоимость инвертора из-за наличия в схеме большого количества конденсаторов.
Также известен многоуровневый инвертор напряжения с фиксирующими диодами [2]. Данный инвертор обладает более низкими по сравнению с инвертором с плавающими конденсаторами массогабаритными показателями и стоимостью, но имеет большие коммутационные потери.
Также известен многоуровневый каскадный мостовой инвертор напряжения, состоящий из последовательно соединенных однофазных мостов [3]. Каждый мост имеет отдельный источник постоянного напряжения и состоит из четырех силовых управляемых ключей с обратными шунтирующими диодами. Недостатками такого инвертора являются большие аппаратные затраты и значительные коммутационные потери из-за наличия большого количества силовых ключей.
Известен также восьмиуровневый однофазный инвертор напряжения [4]. Недостатками такого инвертора являются повышенные аппаратные затраты из-за необходимости иметь три гальванически развязанных источника постоянного напряжения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является инвертор, состоящий из коммутатора и моста, схема которого представлена на рис. 8.146 в работе [5]. Коммутатор включает n ячеек, каждая из которых содержит источник постоянного напряжения с конденсатором на выходе и транзистор, шунтированный обратным диодом и включенный в проводящем направлении по отношению к источнику питания. Кроме того, коммутатор содержит n ключей переменного тока, каждый из которых шунтирует свою ячейку и позволяет работать на активно-индуктивную нагрузку. Данный инвертор может обеспечивать большее число уровней выходного напряжения относительно рассмотренных выше схем при равном числе источников постоянного напряжения.
Однако представленная схема инвертора характеризуется избыточными аппаратными затратами, вызванными необходимостью иметь n источников постоянного напряжения для получения многоступенчатой кривой выходного напряжения, а также использованием в схеме ключей переменного тока. Аппаратные затраты особенно значительно возрастают, если в качестве источников постоянного напряжения используются выпрямители, которые, к тому же, должны быть гальванически развязаны. Кроме того, в работе не приведены временные диаграммы работы ключей, и отсутствуют сведения о качестве генерируемого напряжения.
Задача настоящего изобретения заключается в уменьшении аппаратных затрат и стоимости инвертора напряжения с близкой к синусоидальной форме кривой ступенчатого выходного напряжения.
Поставленная задача решается заменой n источников переменного напряжения одним источником с включенным с ним последовательно в проводящем направлении диодом и реактором, причем минусовой вывод источника питания соединен с минусовой шиной инверторного моста, а плюсовой вывод через реактор, диод и транзистор - с плюсовой шиной инвертора. Кроме того, достижение поставленной цели обеспечивается заменой ключей переменного тока транзисторами, шунтированными обратными диодами и подключенными каждый параллельно и противофазно одной из ячеек коммутатора.
Сущность изобретения поясняется чертежами: на Фиг. 1 представлена схема инвертора, генерирующего напряжение ступенчатой формы, имеющее 8 уровней на полупериоде, считая нулевой уровень, на Фиг. 2 - эпюра выходного напряжения инвертора, на Фиг. 3 - временные диаграммы управления ключами инвертора.
Инвертор напряжения содержит:
- коммутатор 1, состоящий из трех последовательно соединенных ячеек, каждая из которых включает последовательно соединенный конденсатор (4, 5 или 6) и, соответственно, транзистор (7, 8 или 9) с обратным шунтирующим диодом (13, 14 или 15), а также транзисторов 10, 11, 12 с обратными шунтирующими диодами 16, 17, 18, включенных параллельно соответствующей ячейке в обратном направлении по отношению к транзисторам 7, 8 и 9 соответственно;
- однофазный мостовой инвертор 2 с нагрузкой 3 на выходе, состоящий из транзисторов 19-22, шунтированных обратными диодами 23-26, шины питания которого подключены к выходам коммутатора;
- единственный источник постоянного напряжения 27, подключенный через реактор 28, диод 29 и транзистор 9 с обратным диодом 15 последней ячейки коммутатора к шинам питания инверторного моста 2.
На временных диаграммах управления ключами Фиг. 3 буквами а, b, с, d, е и f обозначены соответственно управляющие сигналы транзисторов 7, 10, 8, 11, 9 и 12 коммутатора 1, а буквами g и h - управляющие сигналы пар тиристоров 19, 22 и 20, 21 моста 2 соответственно. Углы коммутации транзисторов 7-12 выбраны, исходя из критерия минимизации коэффициента гармонических составляющих выходного напряжения инвертора. Из диаграмм Фиг. 3 видно, что транзисторы 7 и 10, 8 и 11, 9 и 12 работают противофазно, и частоты их коммутации различаются.
Заряд конденсаторов инвертора 4, 5 и 6 происходит от источника 27 через реактор 28 и диод 29. Емкости конденсаторов подбираются из условия получения уровней ступеней, необходимых для минимизации коэффициента гармоник выходного напряжения инверторного моста.
Процесс функционирования устройства рассмотрим на примере второй четверти периода работы инвертора, когда напряжение, прикладываемое к нагрузке, снижается, что приводит к необходимости возврата реактивной энергии, накопленной в индуктивной части нагрузки, конденсаторам 4, 5 и 6. На первой четверти периода коммутация происходит в обратном порядке (Фиг. 2).
В интервале 71-109 градусов открыты транзисторы 7, 8, 9. В результате ко входам инверторного моста 2 прикладывается суммарное напряжение конденсаторов 4, 5 и 6, формируя наибольшую восьмую ступень выходного напряжения.
В интервале 109-123 градуса открыты транзисторы 8 и 9, а транзистор 7 закрыт. В результате ко входам инверторного моста 2 прикладывается суммарное напряжение конденсаторов 5 и 6, формируя седьмую ступень выходного напряжения. Возврат реактивной мощности, накопленной в индуктивной части нагрузки на предыдущем интервале, осуществляется конденсаторам 5 и 6 через диоды 15 и 14 и открытый транзистор 10.
В интервале 123-136 градусов открыты транзисторы 7 и 9, обеспечивая приложение к инверторному мосту суммарного напряжения конденсаторов 4 и 6, что формирует шестую ступень выходного напряжения. Возврат реактивных токов нагрузки в конденсаторы 4 и 6 осуществляется через включенный транзистор 11 и диоды 13 и 15.
В интервале 136-148 градусов включен транзистор 9, и выключены транзисторы 7 и 8. Таким образом, ко входу инверторного моста 2 прикладывается напряжение конденсатора 6, формируя пятую ступень выходного напряжения. Возврат реактивной мощности нагрузки в конденсатор 6 обеспечивается открытыми транзисторами 10 и 11 и диодом 15.
В интервале 148-159 градусов ко входу инверторного моста 2 подключены напряжения конденсаторов 4 и 5 через открытые транзисторы 7 и 8 и диод 18. Таким образом, формируется четвертая ступень выходного напряжения. Для возврата реактивной мощности нагрузки в этом интервале остается открытым транзистор 12.
В интервале 159-169 градусов выключен транзистор 7, и включен транзистор 8. В результате, ко входу инверторного моста через транзистор 8, диоды 16 и 18 прикладывается напряжение конденсатора 5, которое превышает напряжение на конденсаторе 4 в два раза, что обеспечивает формирование третьей ступени выходного напряжения. В этом же интервале открыты транзисторы 10 и 12, обеспечивая возврат накопленной в нагрузке реактивной энергии конденсатору 5.
В интервале 169-178 градусов транзистор 7 открыт, а транзистор 10 выключен. В результате, напряжение конденсатора 4 через транзистор 7 и диоды 17 и 18 оказывается приложенным к мосту 2, формируя вторую ступень выходного напряжения инвертора. Транзисторы 11 и 12 в этом интервале также открыты, обеспечивая каналы для возврата реактивных токов нагрузки конденсатору 4 через диод 13.
В интервале 178-182 градуса транзисторы 7, 8, 9 выключены, а 10, 11, 12 включены. В результате к мосту 2 прикладывается нулевое напряжение, и циркуляция накопленной в индуктивной части нагрузки энергии осуществляется через соответствующие диоды 23 и 26 моста и транзисторы 12, 11 и 10. Таким образом, в интервале 0-2 градуса нагрузка оказывается закороченной указанными диодами.
На втором полупериоде коммутация транзисторов 7-12 происходит в том же порядке, что и на первом полупериоде. Однако транзисторы 19, 22 моста 2 выключены, а транзисторы 20 и 21 - включены, благодаря чему на нагрузке формируется отрицательное напряжение.
Предложенная схема инвертора генерирует ступенчатое напряжение, имеющее 8 уровней на полу периоде, включая ступень нулевого уровня, что обеспечивает суммарный коэффициент гармонических составляющих 6,67% при учете всего диапазона составляющих спектра. Значения гармонических составляющих спектра выходного напряжения приведены в таблице 1.
Таким образом, генерируемое напряжение удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 54149-2010 по гармоническому составу напряжения для электрических сетей низкого и среднего напряжения, за исключением гармоники 15, которую достаточно легко отфильтровать, учитывая ее высокую частоту.
Источники информации
1. Meynard Т., Lavieville J.-P., Carrere P., Gonzalez J., Bethoux О. Electronic circuit for converting electrical energy. U.S. Patent 5 706 188, January 1998.
2. Baker R.H. High-Voltage Converter Circuit. U.S. Patent 4 203 151, May 1980.
3. Baker R.H. Electric Power Converter. U.S. Patent 3 867 643, February 1975.
4. Голембиовский Ю.М., Щербаков A.A. Однофазный инвертор со ступенчатым выходным напряжением; Патент на полезную модель RU 130159 U1 от 09.01.2013.
5. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи / B.C. Моин. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 376 с.