УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ ТРЕХУРОВНЕВЫМ ИНВЕРТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ С ФИКСИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬНОЙ ТОЧКОЙ

Полезная модель относится к силовой преобразовательной технике и может быть использована для управления трехфазным трехуровневым инвертором напряжения с фиксированной нейтральной точкой посредством модифицированной векторной широтно-импульсной модуляции.
Известно устройство управления трехфазным трехуровневым автономным инвертором напряжения, содержащее три блока задания синусоидальных фазных напряжений инвертора, блок задания коэффициента модуляции, три умножителя, генератор опорного пилообразного напряжения, три элемента сравнения, три блока формирования импульсов управления ключами инвертора напряжения (Пронин М.В., Воронцов А.Г. Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет) / Под ред. Крутякова Е.А. СПб: «Электросила», 2003. С. 31-35).
Недостатком известного устройства является низкий коэффициент полезного действия трехфазного трехуровневого автономного инвертора напряжения в мощных высоковольтных электроприводах прокатных станов, при изменении коэффициента модуляции инвертора в диапазоне от номинального до нулевого значения. Это связано с тем, что в известном устройстве широтно-импульсную модуляцию выходного напряжения инвертора осуществляют по синусоидальному закону с относительно высокой частотой коммутации, при этом в мощных управляемых ключах инвертора возникают значительные коммутационные потери мощности, а широкий спектр гармоник выходного напряжения инвертора снижает качество этого напряжения. Кроме того, синусоидальный способ широтно-импульсной модуляции выходного напряжения инвертора не обеспечивает эффективного использования напряжения источника постоянного тока.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является устройство управления трехфазным трехуровневым инвертором напряжения с фиксированной нейтральной точкой, содержащее блок задания вектора фазного напряжения инвертора, выход которого соединен с блоком определения углового положения вектора фазного напряжения инвертора и с блоком определения модуля вектора фазного напряжения инвертора, причем выход блока определения углового положения вектора фазного напряжения инвертора соединен с первым входом блока выбора базовых векторов инвертора напряжения и с первым входом блока вычисления длительности включенного состояния выбранных базовых векторов инвертора напряжения, а выход блока определения модуля вектора фазного напряжения инвертора соединен со вторым входом блока выбора базовых векторов инвертора напряжения и со вторым входом блока вычисления длительности включенного состояния выбранных базовых векторов инвертора напряжения, выход блока выбора базовых векторов инвертора напряжения соединен с третьим входом блока вычисления длительности включенного состояния выбранных базовых векторов инвертора напряжения, четвертый вход последнего соединен с генератором тактовых импульсов, пятый вход блока вычисления длительности включенного состояния выбранных базовых векторов инвертора напряжения соединен с выходом блока контроля баланса напряжений на конденсаторах звена постоянного тока инвертора напряжения, при этом вход указанного блока контроля подключен к информационному выходу трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой, блок формирования традиционных векторных широтно-импульсных модулированных сигналов управления ключами инвертора напряжения, выход которого соединен с входом трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой (см. патент США US 9214874, Н02М 7/487).
Недостатком известного устройства является низкий коэффициент полезного действия трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой в мощных высоковольтных электроприводах прокатных станов, при изменении коэффициента модуляции инвертора в диапазоне от номинального до нулевого значения. Это связано с тем, что в известном устройстве для управления ключами инвертора напряжения используют традиционный векторный способ широтно-импульсной модуляции выходного напряжения инвертора, при котором период модуляции делится пополам. В течение одного полупериода модуляции последовательно с заданной длительностью реализуются все базовые вектора, которые формируют вектор равный задающему вектору. Другой полупериод модуляции является зеркальным отражением предыдущего, т.е. перечисленные вектора реализуются в обратном порядке. Указанная реализация базовых векторов за период модуляции сопровождается большим количеством переключений мощных управляемых ключей, что приводит к увеличению мощности коммутационных потерь на ключах.
Техническая проблема, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в повышении коэффициента полезного действия трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой.
Технический результат заключается в создании условий, обеспечивающих снижение мощности коммутационных потерь на ключах инвертора напряжения при одновременном сохранении качества выходного напряжения на требуемом уровне.
Поставленная задача решается тем, что устройство управления трехфазным трехуровневым инвертором напряжения с фиксированной нейтральной точкой, содержащее блок задания вектора фазного напряжения инвертора, выход которого соединен с блоком определения углового положения вектора фазного напряжения инвертора и с блоком определения модуля вектора фазного напряжения инвертора, причем выход блока определения углового положения вектора фазного напряжения инвертора соединен с первым входом блока выбора базовых векторов инвертора напряжения и с первым входом блока вычисления длительности включенного состояния выбранных базовых векторов инвертора напряжения, а выход блока определения модуля вектора фазного напряжения инвертора соединен со вторым входом блока выбора базовых векторов инвертора напряжения и со вторым входом блока вычисления длительности включенного состояния выбранных базовых векторов инвертора напряжения, выход блока выбора базовых векторов инвертора напряжения соединен с третьим входом блока вычисления длительности включенного состояния выбранных базовых векторов инвертора напряжения, четвертый вход последнего соединен с генератором тактовых импульсов, пятый вход блока вычисления длительности включенного состояния выбранных базовых векторов инвертора напряжения соединен с выходом блока контроля баланса напряжений на конденсаторах звена постоянного тока инвертора напряжения, при этом вход указанного блока контроля подключен к информационному выходу трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой, блок формирования традиционных векторных широтно-импульсных модулированных сигналов управления ключами инвертора напряжения, выход которого соединен с входом трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой, согласно изменению, оно снабжено блоком выбора способа формирования векторных широтно-импульсных модулированных сигналов управления ключами инвертора напряжения, датчиком выходной мощности инвертора напряжения и блоком формирования модифицированных векторных широтно-импульсных модулированных сигналов управления ключами инвертора напряжения, причем первый вход блока выбора способа формирования векторных широтно-импульсных модулированных сигналов управления ключами инвертора напряжения соединен с выходом блока выбора базовых векторов инвертора напряжения, второй вход - с выходом блока вычисления длительности включенного состояния выбранных базовых векторов инвертора напряжения, а третий вход - с выходом датчика выходной мощности инвертора напряжения, вход которого соединен со вторым информационным выходом трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой, при этом первый выход блока выбора способа формирования векторных широтно-импульсных модулированных сигналов управления ключами инвертора напряжения соединен с входом блока формирования традиционных векторных широтно-импульсных модулированных сигналов управления ключами инвертора напряжения, а второй выход - с входом блока формирования модифицированных векторных широтно-импульсных модулированных сигналов управления ключами инвертора напряжения, выход которого соединен со вторым входом трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 изображена функциональная схема устройства управления трехфазным трехуровневым инвертором напряжения с фиксированной нейтральной точкой;
- на фиг. 2 - функциональная схема трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой;
- на фиг. 3 приведено векторное представление выходного напряжения трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой;
- на фиг. 4 приведена таблица вычисления длительности включенного состояния трех ближайших базовых векторов выходного напряжения трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой для четырех областей шести секторов, приведенных на фиг. 3;
- на фиг. 5 приведены традиционные шаблоны последовательности включений базовых векторов для четырех областей A1, А2, A3 и А4 сектора А;
- на фиг. 6 приведены модифицированные шаблоны последовательности включений базовых векторов для четырех областей A1, А2, A3 и А4 сектора А;
М
- на фиг. 7 изображен сектор А, где для каждого для четырех значений коэффициента модуляции К=1,0; 0,78; 0,51 и 0,3 приведено по 15 точек, в которых находится задающий вектор  выходного напряжения трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой;
М
- на фиг. 8 приведены состояния фаз А, В и С инвертора напряжения для трех коэффициентов модуляции К=0,78; 0,51 и 0,3 в секторе А при использовании модифицированных шаблонов последовательности включений базовых векторов для четырех областей A1, А2, A3 и А4 сектора А;
М
- на фиг. 9 приведены состояния фаз А, В и С инвертора напряжения для трех коэффициентов модуляции К=0,78; 0,51 и 0,3 за период 2π фазного напряжения на основании математической модели, реализованной в программной среде Matlab Simulink.
Заявляемое устройство управления трехфазным трехуровневым инвертором напряжения с фиксированной нейтральной точкой (фиг. 1) содержит блок задания вектора фазного напряжения инвертора 1, выход которого соединен с блоком определения углового положения вектора фазного напряжения инвертора 2 и с блоком определения модуля вектора фазного напряжения инвертора 3. При этом выход блока определения углового положения вектора фазного напряжения инвертора 2 соединен с первым входом блока выбора базовых векторов инвертора напряжения 4 и с первым входом блока вычисления длительности включенного состояния выбранных базовых векторов инвертора напряжения 5. Выход блока определения модуля вектора фазного напряжения инвертора 3 соединен со вторым входом блока выбора базовых векторов инвертора напряжения 4 и со вторым входом блока вычисления длительности включенного состояния выбранных базовых векторов инвертора напряжения 5. Причем выход блока выбора базовых векторов инвертора напряжения 4 соединен с третьим входом блока вычисления длительности включенного состояния выбранных базовых векторов инвертора напряжения 5. Четвертый вход блока вычисления длительности включенного состояния выбранных базовых векторов инвертора напряжения 5 соединен с генератором тактовых импульсов 6, а пятый вход - с выходом блока контроля баланса напряжений на конденсаторах звена постоянного тока инвертора напряжения 7. При этом вход указанного блока контроля подключен к информационному выходу трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой 8. Заявляемое устройство также содержит блок формирования традиционных векторных широтно-импульсных модулированных сигналов управления ключами инвертора напряжения 9, выход которого соединен с входом трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой 8. Устройство управления (фиг. 1) дополнительно снабжено блоком выбора способа формирования векторных широтно-импульсных модулированных сигналов управления ключами инвертора напряжения 10, датчиком выходной мощности инвертора напряжения 11 и блоком формирования модифицированных векторных широтно-импульсных модулированных сигналов управления ключами инвертора напряжения 12. При этом первый вход блока выбора способа формирования векторных широтно-импульсных модулированных сигналов управления ключами инвертора напряжения 10 соединен с выходом блока выбора базовых векторов инвертора напряжения 4, второй вход - с выходом блока вычисления длительности включенного состояния выбранных базовых векторов инвертора напряжения 5, а третий вход - с выходом датчика выходной мощности инвертора напряжения 11. Вход последнего соединен со вторым информационным выходом трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой 8. При этом первый выход блока выбора способа формирования векторных широтно-импульсных модулированных сигналов управления ключами инвертора напряжения 10 соединен с входом блока формирования традиционных векторных широтно-импульсных модулированных сигналов управления ключами инвертора напряжения 9. Второй выход блока 10 соединен с входом блока формирования модифицированных векторных широтно-импульсных модулированных сигналов управления ключами инвертора напряжения 12, выход которого соединен со вторым входом трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой 8.
Трехфазный трехуровневый инвертор напряжения с фиксированной нейтральной точкой 8 (фиг. 2), также как и в прототипе, содержит звено постоянного тока 13 и три фазные стойки 14, 15 и 16, которые соединены параллельно и подключены к источнику постоянного тока 17. При этом звено постоянного тока 13 содержит два последовательно соединенных конденсатора 18 и 19, общая точка которых 20 является фиксированной нейтральной точкой трехфазного трехуровневого инвертора напряжения 8. Каждая из фазных стоек 14, 15 и 16 содержит четыре последовательно соединенных управляемых ключа 21, 22, 23 и 24. К точке соединения первого 21 и второго 22 управляемых ключей в каждой фазной стойке подключен катод первого диода 25, анод которого подключен к фиксированной нейтральной точке 20 инвертора напряжения. Точка соединения второго 22 и третьего 23 управляемых ключей является силовым выходов инвертора напряжения в каждой фазной стойке. К точке соединения третьего 23 и четвертого 24 управляемых ключей в каждой фазной стойке подключен анод второго диода 26, катод которого подключен к фиксированной нейтральной точке 20 инвертора напряжения. К трем силовым выходам инвертора напряжения подключена трехфазная нагрузка переменного тока 27.
зад
i
В заявляемом устройстве трехфазный трехуровневый инвертор напряжения с фиксированной нейтральной точкой 8 выполнен на полностью управляемых ключах 21-24 (фиг. 2), что позволяет обеспечить его работу в электроприводах переменного тока, как в двигательном, так и генераторном режиме. Кроме того, применение трехуровневого напряжения в электроприводах, например, прокатных станов способствует улучшению формы его выходного напряжения при относительно невысокой частоте коммутации. Шесть базовых векторов а, b, с, ар (an), bp (bn) и op (оо, on), приведенные на фиг. 3 для четырех областей A1, А2, A3 и А4 в секторе А формируют за период широтно-импульсной модуляции Т традиционные шаблоны (фиг. 4), которые соответствуют определенной последовательности включения указанных векторов в зависимости от углового положения Θ и модуля U задающего вектора напряжения  инвертора напряжения. Аналогичные шаблоны можно сформировать для секторов В, С, D, Е и F. При этом период широтно-импульсной модуляции Т традиционных шаблонов делится пополам. В течение первого полупериода модуляции последовательно с предварительно вычисленной длительностью t, по формулам, приведенным в таблице на фиг. 5 реализуются все ближайшие базовые вектора. Второй полупериод модуляции является зеркальным отражением предыдущего, т.е. перечисленные вектора реализуются в обратном порядке. Таким образом, за период широтно-импульсной модуляции Т традиционные шаблоны (фиг. 4) формируют усредненное значение вектора напряжения инвертора равное . Приведенный алгоритм формирования традиционных шаблонов, обладая симметрией, способствует равномерной загрузке управляемых ключей 21-24 инвертора напряжения 8 и минимизации пульсации тока в фазах трехфазной нагрузки переменного тока 27, при этом выходное напряжение инвертора имеет хороший гармонический состав. Однако большое количество переключений управляемых ключей 21-24 инвертора напряжения 8 за период модуляции Т в электроприводах прокатных станов при прокатке труднодеформируемых марок сталей приводит к возрастанию токов инвертора напряжения 8 и увеличению мощности коммутационных потерь на ключах 21-24, что снижает коэффициент полезного действия трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой 8.
В модифицированных шаблонах (фиг. 6) количество переключений управляемых ключей 21-24 (фиг. 2) во всех фазах инвертора напряжения 8 за период модуляции Т значительно уменьшается. Так для области А1 в секторе А используют два модифицированных шаблона А1-1 и А1-2, которые реализуются базовыми векторами ар (an), bp (bn) и оо. Вместо двенадцати переключений каждый модифицированный шаблон А1-1 и А1-2 имеют четыре переключения за период модуляции Т. Для области А2 используют два модифицированных шаблона А2-1 и А2-2, которые реализуются базовыми векторами ар (an), а и с. Вместо шести переключений каждый модифицированный шаблон А2-1 и А2-2 имеют три переключения за период модуляции Т. Для области A3 используют восемь модифицированных шаблонов А3-1, А3-2, А3-3, А3-4, А3-5, А3-6, А3-7 и А3-8. Шаблоны А3-1 и А3-2 реализуются базовыми векторами ар (an), bn и с, шаблоны А3-3 и А3-4 - базовыми векторами ар, bp (bn) и с, шаблоны А3-5 и А3-6 - базовыми векторами ар (an), bp (bn) и с, шаблоны А3-7 и А3-8 - базовыми векторами ар, bn и с. В модифицированных шаблонах А3-1 - А3-4 вместо восьми переключений осуществляют три переключения за период модуляции Т, в шаблонах А3-5 и А3-6 - четыре, а в шаблонах А3-7 и А3-8 - два. Для области А4 использует два модифицированных шаблона А4-1 и А4-2, которые реализуются базовыми векторами bp (bn), с и b, при этом количество переключений управляемых ключей во всех фазах инвертора за период модуляции Т в модифицированных шаблона А4-1 и А4-2 уменьшается с шести до трех.
Устройство управления трехфазным трехуровневым инвертором напряжения с фиксированной нейтральной точкой (фиг. 1) работает следующим образом.
Блок задания вектора фазного напряжения инвертора 1 формирует сигнал задания  для блока определения углового положения 2 и блока определения модуля 3 вектора фазного напряжения инвертора. После определения места положения заданного вектора фазного напряжения инвертора  на векторной диаграмме (фиг. 3) блок 4 выбирает три ближайших базовых вектора напряжения из шести а, b, с, ар (an), bp (bn) или op (оо, on). Для выбранных базовых векторов блок 5 производит вычисление длительности их включенного состояния по формулам, приведенным в таблице на фиг. 5. При этом период широтно-импульсной модуляции Т для традиционных и модифицированных шаблонов переключений базовых векторов для блока 5 задает генератор тактовых импульсов 6. Кроме того, в блоке 5 по сигналу с блока контроля баланса напряжений на конденсаторах звена постоянного тока 7 трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой 8 осуществляется коррекция продолжительности включения базовых векторов ар (an), bp (bn), если нарушается баланс напряжений на конденсаторах 18 и 19 звена постоянного тока 13.
В нормальном режиме работы заявляемого устройства (фиг. 1), когда токи и мощность трехфазной нагрузки переменного тока 27 незначительные датчик выходной мощности инвертора напряжения 11 переводит блок выбора способа формирования 10 в режим формирования традиционных векторных широтно-импульсных модулированных сигналов управления ключами инвертора напряжения (фиг. 4). При этом с выхода блока 9 на управляемые ключи 21-24 (фиг. 2) трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой 8 подаются традиционные шаблоны (фиг. 4) последовательности включений базовых векторов а, b, с, ар (an), bp (bn) и op (оо, on), которые обеспечивают равномерную нагрузку ключей инвертора, минимальные пульсации тока в фазах нагрузки и хороший гармонический состав выходного напряжения инвертора 8.
В режиме работы, когда токи и мощность трехфазной нагрузки переменного тока 27 достигают значительных величин, блок выбора способа формирования 10 переходит в режим формирования модифицированных широтно-импульсных модулированных сигналов управления ключами инвертора напряжения. При этом с выхода блока 12 на управляемые ключи 21-24 трехфазного трехуровневого инвертора напряжения 8 подаются модифицированные шаблоны (фиг. 6) последовательности включений базовых векторов а, b, с, ар (an), bp (bn) и op (оо, on). В модифицированных шаблонах количество переключений управляемых ключей во всех фазах инвертора напряжения за период модуляции Т значительно уменьшается, что позволяет существенно снизить мощность коммутационных потерь на ключах и тем самым повысить коэффициент полезного действия инвертора напряжения.
М
Известно, что для некоторых инверторов напряжений мощных прокатных станов номинальная частота первой гармоники напряжения составляет 20 Гц, а максимальная частота переключений их полупроводниковых ключей достигает 450 Гц. Для указанных частот на рис. 7 в секторе А отмечено по 15 точек для четырех значений коэффициентов модуляции К=1,0; 0,78; 0,51 и 0,3 в которых последовательно находится задающий вектор фазного напряжения  трехфазного трехуровневого инвертора напряжения 8, задаваемый блоком 1. В заявляемом устройстве (фиг. 1) для модифицированной широтно-импульсной модуляции (фиг. 6) указанные 15 точек в шестидесятиградусном секторе А формируют 45 импульсов за период 2π фазного напряжения. Особенностью работы управляемых ключей 21-24 (фиг. 2) в каждой фазной стойке 14, 15 и 16 инвертора напряжения 8 является то, что на положительной полуволне напряжения в режиме переключения находятся первый 21 и второй 22 ключи, а третий 23 и четвертый 24 не переключаются. На отрицательной полуволне напряжения режимы работы управляемых ключей меняются. Средняя частота переключений мощных управляемых ключей 21-24 за период фазного напряжения инвертора напряжения 8 равна 450 Гц, что соответствует допустимым требованиям по их коммутационным ограничениям. Применение традиционной широтно-импульсной модуляции (фиг. 4) для 15 точек на фиг. 7 увеличивает частоту переключений мощных управляемых ключей 21-24 инвертора напряжения 8 за период фазного напряжения в два и более раз. Это вызывает значительные коммутационные потери на мощных управляемых ключах 21-24 и снижает коэффициент полезного действия инвертора напряжения 8.
М
М
М
М
М
Для заявляемого устройства на фиг. 8 для трех значений коэффициентов модуляции К=0,78; 0,51 и 0,3 в секторе А (фиг. 7) изображены фрагменты фазных напряжений для фаз А, В и С инвертора напряжения 8 при использовании модифицированных шаблонов (фиг. 6) последовательности включения базовых векторов а, b, с, ар (an), bp (bn) и op (оо, on) для четырех областей A1, А2, A3 и А4. При изменении коэффициента модуляции 0,567≤К≤1,0 состоянию фазных напряжений на трехфазной нагрузке 27 соответствует фиг. 8, а. При этом были использованы шаблоны А2-1, А2-2, А3-1, А3-2, А3-3, А3-4, А3-7, А4-1 и А4-2. При изменении коэффициента модуляции 0,5<К<0,567 состоянию фазных напряжений на трехфазной нагрузке 27 соответствует фиг. 8, б. При этом были использованы шаблоны A1-1, А1-2, А3-5 и А3-6. При изменении коэффициента модуляции 0≤К≤0,5 состоянию фазных напряжений на трехфазной нагрузке 27 соответствует фиг. 8, в. При этом были использованы шаблоны А1-1 и А1-2. Заметим, что на фиг. 8 базовые вектора а, b, с, ар (an), bp (bn) и op (оо, on), которые участвуют в формировании фазных напряжений А, В и С изображены качественно, т.е. без учета их длительности включенного состояния. Реальная ширина прямоугольных импульсов напряжений изображенных на фиг. 8 будет другая. Эта ширина определяется длительностью включенного состояния выбранных базовых векторов согласно таблице на фиг. 5. На основании математической модели, реализованной в программной среде Matlab Simulink, реализован алгоритм модифицированной векторной широтно-импульсной модуляции для формирования сигналов управления ключами инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой. На фиг. 9 приведены результаты моделирования состояния фаз А, В и С инвертора напряжения для трех значений коэффициентов модуляции К=0,78 (рис. 9, а); 0,51 (рис. 9, б) и 0,3 (рис. 9, в) за один период фазного напряжения 0≤Θ≤2π.
Таким образом, заявляемое устройство, позволяет повысить коэффициент полезного действия трехфазного трехуровневого инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой при значительных мощностях трехфазной нагрузки переменного тока, за счет переключения на модифицированный способ широтно-импульсный модуляции инвертором напряжения. При этом количество переключений управляемыми ключами во всех фазах инвертора напряжения за период модуляции существенно уменьшается, что позволяет снизить мощность коммутационных потерь на управляемых ключах и тем самым повысить коэффициент полезного действия инвертора напряжения. Причем гармонический состав выходного напряжения инвертора напряжения сохраняется удовлетворительный, а качество напряжения поддерживается на заданном уровне.