МНОГОУРОВНЕВЫЙ ПОВЫШАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ТРЕХФАЗНОЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ
MULTILEVEL STEP-UP CONVERTER OF DC VOLTAGE TO THREE-PHASE VOLTAGE OF INDUSTRIAL FREQUENCY

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для преобразования энергии солнечной батареи в переменное напряжение промышленной частоты в солнечной энергетике.
Известен автономный инвертор (АИ) компании «КОМПЭЛ», используемый для преобразования энергии солнечной батареи (СБ) в однофазное переменное напряжение промышленной частоты (ж. «Силовая Электроника», №2, 2011, стр.63). Автономный инвертор является преобразователем, содержащим входной каскад с конденсаторами, индуктивностью, транзисторным ключом, диодом и выходной каскад с мостовым однофазным инвертором и выходным фильтром, к которому подключается однофазная нагрузка. Указанные элементы образуют блок однофазного «солнечного инвертора». Недостатками устройства являются большие габариты фильтров для получения выходного синусообразного напряжения промышленной частоты с малыми искажениями, автономный инвертор имеет большие искажения выходного напряжения и не является повышающим многоуровневым.
Известен многоступенчатый (многоуровневый) однофазный инвертор, преобразующий энергию СБ, состоящий из последовательно-параллельно соединенных солнечных элементов (СЭ) в однофазное, близкое к синусоидальному напряжение промышленной частоты без применения габаритных фильтров [Исембергенов Н.Т. Многоступенчатый инвертор для преобразования энергии солнечных батарей. // Электричество №7, 2011].
В данном инверторе формирование выходного напряжения осуществляется путем суммирования напряжений Е1…Еn последовательно соединенных источников с СЭ, образующих ступени, с помощью нескольких транзисторных однофазных мостовых инверторов. Суммирование напряжений осуществляется на общей нагрузке Rн с учетом различного времени включения ступеней отдельных инверторов в соответствии с алгоритмом управления. В результате такой блок многоступенчатого инвертора формирует однофазное напряжение, близкое к синусоидальной форме. Здесь используются СЭ серии АСЭ - 50 с напряжением 17 В и током 2,88 А., Например, для получения выходной мощности 6 кВт с напряжением 220 В необходимо соединить в батарею 180 СЭ.
Аналогично производится дальнейшее наращивание мощности и напряжения на однофазной нагрузке.
Для образования трехфазного повышающего многоуровневого инвертора возможно использовать, например, три однофазных блока, подключенных к общему источнику постоянного напряжения, а их выходы соединить с обмотками дополнительного повышающего трехфазного трансформатора (или трех однофазных) промышленной частоты, передающего мощность источника и требуемый уровень напряжения в нагрузку [Г.С.Зиновьев. Основы силовой электроники, Новосибирск, 2003, листы 435-437].
Недостатком данного устройства является то, что инвертор не обеспечивает питания трехфазной нагрузки, а дополнительное введение трехфазного трансформатора промышленной частоты ухудшает массогабаритные показатели. Кроме того, симметричность и синусоидальность кривой выходного напряжения зависит от идентичности по величине напряжений Е1…Еn. Практически это сложно обеспечить, особенно при высоких мощностях с большим количеством СЭ, расположенных на больших площадях с различной степенью облучения. В случае же общего источника питания изменение напряжений отдельных СЭ вызывает изменение общего суммарного напряжения Е, но не сказывается на форме отдельных ступеней напряжений инвертора, в результате не нарушается синусоидальность формы выходного напряжения. При этом стабилизация величины выходного переменного напряжения осуществляется за счет системы регулирования.
Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является многоуровневый трехфазный преобразователь частоты ячейкового типа, применяемый в частотно-регулируемом (ЧРП) типа ABS - DRIVE для регулирования скорости электродвигателя [Кальсин В.Н., Матисон А.Г., Шепелин В.Ф. и др. Работы ОАО «ВНИИР» компании АБС «Электро» в области высоковольтного электропривода и силовой электроники, журнал Электротехника, 2011, №1]. В прототипе ЧРП получает питание от сети 50 Гц через многообмоточный трехфазный трансформатор. Преобразователь частоты выполнен на базе выпрямительно-инверторных ячеек, имеющих трехфазный выпрямитель на входе ячейки. Формирование многоуровневого выходного напряжения в каждой фазе осуществляется за счет суммирования напряжений отдельных ступеней с использованием системы управления, датчиков тока, напряжения и задающего устройства.
Недостатки прототипа - большие массогабаритные и стоимостные показатели трансформатора на частоту 50 Гц и ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствием возможности питания от общего источника постоянного напряжения или сети постоянного тока.
Технический результат заявляемого решения - улучшение массогабаритных показателей и расширение функциональных возможностей за счет обеспечения питания от общего источника постоянного напряжения и/или сети постоянного тока, совместной работы с трехфазной сетью энергосистемы.
Технический результат достигается тем, что в многоуровневом повышающем преобразователе постоянного напряжения в трехфазное промышленной частоты, содержащем общий источник постоянного напряжения, например, в виде солнечной батареи, соединенный с однофазным мостовым автономным инвертором, выполненным высокочастотным, к выходу которого подключен дополнительно введенный трехфазный преобразователь частоты ячейкового типа, состоящий из высокочастотного повышающего однофазного многообмоточного трансформатора, однофазных выпрямительно-инверторных ячеек, соединенных с вторичными обмотками трансформатора, при этом каждая ячейка содержит последовательно соединенные между собой однофазные выпрямитель и инвертор и также дополнительный согласующий трансформатор промышленной частоты, вторичные обмотки которого предназначены для подключения к электросети энергосистемы.
Отличительной особенностью предлагаемого изобретения является то, что введение выполненных на высокую частоту, например 1000 Гц, однофазных автономного инвертора и трансформатора, а также введения преобразователя высокой частоты в трехфазное напряжение промышленной частоты с однофазными выпрямительно-инверторными ячейками и обеспечение совместной работы с соответствующей трехфазной промышленной сетью как непосредственно и/или с дополнительным согласующим трансформатором обеспечивает улучшение массогабаритных показателей и расширение функциональных возможностей. При питании нагрузки, например, напряжением 380 В, 50 Гц и необходимостью совместной работы с электросетью энергосистемы, например, с напряжением 110 кВ, 50 Гц целесообразно использование согласующего трансформатора. Сущность заявляемого решения поясняется на фиг.1, 2, 3, где приняты следующие обозначения:
1 - источник постоянного напряжения, например, СБ,
2 - автономный мостовой однофазный инвертор, с частотой, например, f1=1000 Гц,
3 - высокочастотный трансформатор с частотой f1,
4 - вторичные обмотки трансформатора 3,
5 - блок выпрямительно-инверторных ячеек,
6 - выпрямительно-инверторная ячейка,
7 - система управления,
8 - датчик напряжения,
9 - датчик тока,
10 - задатчик напряжения промышленной частоты (или пульт управления),
U, I, Uy - выходные сигналы элементов 8-10,
U1 -выходное напряжение многоуровнего преобразователя,
АВС - выходные зажимы устройства,
На фиг.2 представлена схема ячейки 6, где
11 - трехфазный преобразователь промышленной частоты,
12 - мостовой однофазный выпрямитель,
13 - конденсатор,
14 - мостовой однофазный транзисторный инвертор,
15 - нагрузка,
16 - согласующий трехфазный трансформатор,
17 - первичная обмотка,
18 - вторичная обмотка,
19 - энергосистема,
Uo - выходное напряжение инвертора 14.
На фиг.3 представлена функциональная схема для работы на нагрузку (например, нагрузка 15 (электродвигатель с напряжением U1=380 В, 50 Гц) и на энергосистему 19 (например, с напряжением U2=110 кВ, 50 Гц) через согласующий трехфазный трансформатор 16 с первичной обмоткой 17 и вторичной обмоткой 18.
Многоуровневый повышающий трехфазный преобразователь постоянного напряжения в трехфазное промышленной частоты содержит общий источник постоянного напряжения, например, в виде солнечной батареи 1, соединенной с автономным мостовым однофазным инвертором, с частотой, например, f1=10002; высокочастотный трансформатор с частотой f1 3 с вторичными обмотками 4; блок выпрямительно-инверторных ячеек 5 с- выпрямительно-инверторными ячейками 6, систему управления 7, датчики напряжения 8 и тока 9, задатчик напряжения промышленной частоты 10, при этом автономный мостовой однофазный инвертор 2 и трансформатор высокочастотный трансформатор с частотой f1 3, вторичные обмотки трансформатора 4 соответственно подключены к блоку 5 выпрямительно-инверторных однофазных ячеек 6, выходы которых соединены между собой последовательно в три группы и образуют трехфазный преобразователь промышленной частоты 11 с выходными фазными зажимами АВС, к которым подключена нагрузка 15 и может подключаться соответствующая сеть промышленной частоты для совместной работы. Ячейки 6 представляют собой последовательно соединенные однофазные выпрямитель 12 и мостовой однофазный транзисторный инвертор 14, при включении дополнительного согласующего трехфазного трансформатора 16, его первичные обмотки 17 и нагрузка 15 подключены к выходным зажимам АВС преобразователя частоты 11, а вторичные обмотки 18 - к энергосистеме.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. Источником энергии в устройстве (фиг.1) является общее звено постоянного тока, в данном случае солнечная батарея (СБ) 1, которая образуется из отдельных СЭ. Автономный мостовой однофазный инвертор 2 преобразует постоянное напряжение СБ в переменное высокочастотное напряжение, например, 1000 Гц.
На выход автономного мостового однофазного инвертора, с частотой, например, f1=1000 Гц 2 подключается однофазный высокочастотный трансформатор 3, который обеспечивает питание каждой ячейке 6 (фиг.1, 2) от индивидуальных вторичных обмоток 3 трансформатора 4.
Выходы ячеек 6 соединяются последовательно в три группы и звезду, образуя вместе с системой управления 7, датчиками 8, 9 и задатчиком 10 преобразователь частоты 11 с выходными зажимами АВС, на которых получаем напряжение промышленной частоты, например, 50 Гц. Система управления 7 обеспечивает ШИМ-регулирование транзисторному инвертору 14 (фиг.2). На выходах ячеек 6 образуются различные комбинации трех сигналов (+Uo,-Uo и 0). Эти сигналы суммируются и создают многоуровневую систему выходного трехфазного напряжения промышленной частоты.
Количество уровней выходного напряжения определяется количеством ячеек: при 15 ячейках в блоке 5 выходное синусообразное линейное напряжение имеет 11 ступеней (уровней) - общую нулевую ступень и по 10 ступеней в каждой положительной и отрицательной полуволне синусоиды. Напряжение амплитуды многоуровневой синусоиды составляет величину 10 Uo.
К зажимам АВС подключается нагрузка 15 (фиг.3) и при необходимости совместной работы с сетью - соответствующая сеть, например, 380 В, 50 Гц. В ряде случаев требуется подключение данного устройства высокой мощности к энергосистеме 19 с высоким напряжением, например, 110 кВ, 50 Гц, что обеспечивает согласующий трансформатор 16.