МНОГОУРОВНЕВЫЙ АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ
MULTILEVEL AUTONOMOUS VOLTAGE INVERTER

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в области преобразовательной техники для регулирования напряжения и (или) частоты в многоуровневых автономных инверторах напряжений (далее МАИН) и преобразователях частоты (далее ПЧ).
МАИН применяются для получения многоступенчатой кривой выходного переменного напряжения, максимально приближенной по форме к синусоиде. Это обеспечивает низкий уровень искажений и потерь мощности в сети и высокое качество напряжения, подводимого к нагрузке электродвигателя. Кроме того, при ограниченных возможностях по напряжению силовых полупроводниковых ключей (IGBT, IGCT и др.) многоуровневые инверторы позволяют создавать высоковольтные МАИН и ПЧ на напряжения 6,10 кВ и выше.
Известен трехфазный МАИН (патент US 60317338 с приоритетом от 29.02.2000 г.), содержащий звено постоянного тока, состоящее из трансформатора, выпрямителя, последовательно соединенных конденсаторов; мостовой инвертор напряжения с 3-мя вентильными секциями, каждая из которых содержит по 6 транзисторных ключей с блокирующими диодами и обратными параллельными защитными диодами для каждого ключа. Его фазные выводы подключены к электродвигателю.
В устройстве при уменьшении тока с помощью обратных диодов осуществляется защита ключей от обратного напряжения и сброс энергии нагрузки (двигателя) в конденсаторы. Кроме того, они участвуют в режиме закорачивания нагрузки во время паузы при широтно-импульсном (ШИМ) регулировании. При этом в зависимости от режима работы оказываются последовательно соединенными от 3 до 6 обратных диодов, в которых образуются максимальные потери мощности ΔРмах:
где 6 - число обратных диодов,
ΔU - падение напряжения на одном диоде,
I - ток нагрузки.
В системах с большим количеством уровней и ключей потери мощности еще выше и проблема их снижения в защитных диодах становится весьма актуальной.
1
4
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является МАИН в составе ПЧ (Донской Н.В., Иванов А.Г., Матисон В.А, Ушаков И.И. «Многоуровневые автономные инверторы для электропривода и электроэнергетики» - Журнал «Силовая электроника», №1, 2008 г., стр.4-7), взятый за прототип, содержащий звено постоянного тока 1 с силовым трансформатором 2, блоком выпрямителей 3 и последовательно соединенных конденсаторов 4-8; вентильные секции 9-11 с 2-мя плечами, каждое из которых содержит 5 последовательно соединенных транзисторных ключей 30-34 и 35-39, соединенных с обратными диодами 12-21 и попарно соединенными между собой блокирующими диодами 22-29, общие точки которых O-O соединены с соответствующими общими точками конденсаторов 4-8, причем общие точки обоих плеч транзисторных ключей 30-39 в каждой вентильной секции 9-11 образуют фазные зажимы инвертора А, В, С, соединенные с электродвигателем 40. На фиг.1 представлена электрическая схема прототипа, на фиг.2 - диаграмма линейного напряжения.
Недостатком прототипа является повышенные потери мощности ΔР в обратных диодах, обусловленные последовательным соединением 5 обратных диодов в каждом плече вентильной секции. В зависимости от режима работы протекание тока нагрузки возможно по цепи, в которой содержится от 5 до 10 обратных диодов. Тогда имеем максимальные потери:
При большем количестве уровней напряжения МАИН и транзисторных ключей эти потери пропорционально возрастают:
где m - число транзисторных ключей в одном плече вентильной секции.
Технический результат предполагаемого изобретения - сокращение потерь мощности и увеличение к.п.д. устройства.
Технический результат достигается тем, что в многоуровневый автономный инвертор напряжения, содержащий звено постоянного тока, включающее многообмоточный силовой трансформатор, блок выпрямителей и последовательно соединенные конденсаторы; вентильные секции инвертора с двумя плечами, каждое из которых содержит m последовательно соединенных ключей с обратными диодами и попарно соединенными между собой блокирующими диодами, общие точки которых подключены к соответствующим общим точкам конденсаторов, при этом общие точки обоих плеч ключей в каждой вентильной секции образуют фазные зажимы инвертора, введен мостовой выпрямитель, входы которого соединены с фазными зажимами инвертора, а его выходы - с выходами звена постоянного тока, при этом в каждой вентильной секции 2(m-1) обратных диодов подключены к соответствующим 2(m-1) ключам.
Сущностью предлагаемого изобретения является то, что за счет введенного мостового выпрямителя и новых схем соединения обратных диодов и мостового выпрямителя снижаются потери мощности и повышается к.п.д. устройства.
На фиг.3. приведена схема предлагаемого устройства, где приняты следующие обозначения:
1 - звено постоянного тока,
2 - многообмоточный силовой трансформатор,
3 - блок выпрямителей,
4, 5, 6, 7, 8 - конденсаторы,
9, 10, 11 - вентильные секции инвертора,
12-21 - обратные (защитные) диоды,
22-29 - блокирующие диоды,
30-39 - ключи (например транзисторные),
40 - электродвигатель,
41 - мостовой выпрямитель,
1
2
3
4
O, O, O, O - общие точки конденсаторов,
А, В, С - выходные зажимы инвертора,
d
U - наибольшее выходное напряжение звена постоянного тока,
o
U - напряжение на одном из конденсаторов 4-8.
На фиг.4 приведена диаграмма линейного напряжения.
Количество уровней МАИН n может быть и более указанного на фиг.4. Связь между количеством уровней n и числом ключей m в плече вентильной секции определяется зависимостью:
Количество конденсаторов в звене постоянного тока равно количеству ключей.
Предлагаемый многоуровневый автономный инвертор напряжения содержит звено постоянного тока 1 с многообмоточным силовым трансформатором 2, блоком выпрямителей 3 и последовательно соединенными конденсаторами 4-8, вентильные секции 9-11 с двумя плечами. Плечи содержат по m последовательно соединенных обратных диодов 12-15 и 18-21 и попарно последовательно соединенных между собой блокирующих диодов 22-29, общие точки которых подключены к соответствующим конденсаторам 4-8. Параллельно 2(m-1) обратным диодам 12-15 и 18-21 подсоединены 2(m-1) соответствующих ключей 30-33 и 36-39. Общие точки обоих плеч ключей 30-39 в каждой вентильной секции 9-11 образуют фазные зажимы инвертора А, В, С, к которым подключается электродвигатель 40. В устройство введен мостовой выпрямитель 41, входы которого соединены с фазными зажимами А, В, С, а выходы - с выходами +Ud и -Ud звена постоянного тока.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
МАИН генерирует три линейных напряжения, диаграмма одного из них приведена на фиг.4. Включение соответствующих ключей обеспечивает определенный уровень напряжения и частоту для электродвигателя 40. В результате электродвигатель вращается с заданной скоростью и током нагрузки.
При запирании всех ключей МАИН происходит снижение тока нагрузки и сброс энергии двигателя 40 в конденсаторы 4-8 через мостовой выпрямитель 41. Последний шунтирует цепочку диодов 12-15 в одном плече, например, вентильной секции 9 и 18-21 - в другом плече секции 10 или 11. Сброс энергии двигателя может также происходить при закорачивании двух фаз через проводящий диод мостового выпрямителя 41 и проводящее плечо ключей, например, 30-34 вентильной секции 10. Данный (второй) режим имеет место в течение времени паузы при ШИМ-регулировании. Максимальные потери мощности в мостовом выпрямителе 41 составляют:
что в m раз меньше значения в сравнении с прототипом, где эти потери определялись суммарными потерями мощности во всех последовательно соединенных обратных диодах.
Обратные диоды 12-21 в данной схеме необходимы для защиты ключей (за исключением ключей 34 и 35, соединенных с выходными зажимами А, В, С) от обратных напряжений при их коммутации, которые возникают из-за наличия распределенной индуктивности между звеном постоянного тока и вентильными секциями инвертора 1 и 9, 1 и 10, 1 и 11.
AB
Ступени линейного напряжения, например, положительная полуволна U (фиг.4), отрабатываются устройством следующим образом:
1 ступень линейного напряжения - при включении в каждой вентильной секции 9-11 цепочки ключей 30, 31, 32, 33, 34 (или 35, 36, 37, 38, 39) и через мостовой выпрямитель 41, через которые осуществляется закорачивание трех фаз электродвигателя 40.
2 ступень линейного напряжения - при включении через блокирующий диод 25 ключа 34 в вентильной секции 9 и включении цепочки ключей 35-39 в вентильной секции 10. Источником питания 2-й ступени является конденсатор 8 с напряжением
0
d
d
U=U/m=U/5
0
3 ступень линейного напряжения - при включении через блокирующий диод 24 цепочки ключей 33, 34 в вентильной секции 9 и цепочки ключей 35-39 в вентильной секции 10. Источник напряжения 3-й ступени-конденсаторы 7 и 8 с общим напряжением 2 U.
0
4 ступень линейного напряжения - при включении через блокирующий диод 23 цепочки ключей 32, 33, 34 в вентильной секции 9 и цепочки ключей 35-39 в вентильной секции 10. Источник напряжения 4-й ступени-конденсаторы 6, 7, 8 с общим напряжением 3U.
0
5 ступень линейного напряжения - при включении через блокирующий диод 22 цепочки ключей 31, 32, 33, 34 в вентильной секции 9 и цепочки ключей 35-39 в вентильной секции 10. Источник напряжения 5 ступени-конденсаторы 5, 6, 7, 8 с общим напряжением 4U.
6 ступень линейного напряжения - при включении цепочки ключей 30-34 в вентильной секции 9 и цепочки ключей 35-39 в вентильной секции 10. Источником напряжения 6 ступени является полное напряжение звена постоянного тока, к которому подключены все конденсаторы 4-8, т.е.
0
0
d
m U=5U=U.
Как было описано выше, в паузах при ШИМ-регулировании вступает в работу мостовой выпрямитель 41 и соответствующие ключи 30-39, через которые замыкается спадающий ток нагрузки электродвигателя 40. В то же время при выключении указанных ключей спад тока, потребляемого из звена постоянного тока 1, осуществляется через соответствующие блокирующие 22-29 и обратные диоды 12-21, а также конденсаторы 4-8.
Аналогично МАИН работает на отрицательных полуволнах линейного напряжения на фиг.4.
В предложенном устройстве ток при сбросе энергии нагрузки электродвигателя 40, (а также в паузу при ШИМ - регулировании) не замыкается через цепочку последовательно соединенных обратных диодов, как это происходит в прототипе, так как эта цепь шунтируется мостовым выпрямителем 41. Поэтому мощность обратных диодов по сравнению с прототипом уменьшается.
В настоящее время промышленностью выпускаются ключи (модули) двух конструктивных исполнений - с обратными диодами и без них. Предлагаемое устройство целесообразно выполнять с использованием обоих типов модулей: первый тип использовать для всех ключей, кроме 34, 35. Второй тип - для ключей без обратных диодов - 34, 35. С целью унификации элементной базы возможно использование модулей первого исполнения, при этом имеющиеся в модулях обратные диоды окажутся незагруженными, но нарушать нормальное функционирование устройства не будут.
Использование заявляемого технического решения позволит сократить потери мощности и тем самым повысить к.п.д. в преобразователях силовой электроники.