ОДНОФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР СО СТУПЕНЧАТЫМ ВЫХОДНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ

Полезная модель относится к области силовой электроники и предназначена для генерации напряжения с низким содержанием гармонических составляющих.
Известен многоуровневый инвертор напряжения с плавающими конденсаторами [Т.А.Meynard and H.Foch, "Dipositif electronique de conversion d'énergie électrique", French Patent No. 2679715 A1, Filed 25 July 1991, Issued 29 January 1993; Т.Meynard, J.-P.Lavieville, P.Carrere, J.Gonzalez, and O.Bethoux, "Electronic circuit for converting electrical energy", U.S. Patent 5706188, Jan. 1998], включающий цепочку последовательно соединенных силовых ключей с обратными шунтирующими диодами и набор независимых конденсаторов, попарно шунтирующих силовые ключи, что обеспечивает низкие коммутационные потери. Недостатком данного инвертора является высокие массогабаритные показатели и стоимость инвертора из-за наличия в схеме большого количества конденсаторов.
Также известен многоуровневый инвертор напряжения с фиксирующими диодами [R.H.Baker, "High-Voltage Converter Circuit", U.S. Patent 4,203,151, May 1980]. 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 [R.H.Baker, "Electric Power Converter," U.S. Patent 3,867,643, February 1975], состоящий из последовательно соединенных однофазных мостов. Каждый мост имеет отдельный источник постоянного напряжения и состоит из 4-х силовых управляемых ключей с обратными шунтирующими диодами. Недостатком такого инвертора является большие аппаратные затраты и значительные коммутационные потери из-за наличия большого количества силовых ключей.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является инвертор, состоящий из коммутатора и моста, схема которого представлена на рис.8.14б работы [Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. / B.C.Моин - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 376 с]. Данный инвертор обеспечивает большее число уровней выходного напряжения относительно рассмотренных выше схем при равном числе источников постоянного напряжения.
Однако представленная схема инвертора характеризуется избыточными аппаратными затратами, вызванными использованием в схеме ключей переменного тока. Кроме того, не приведены временные диаграммы работы ключей и отсутствуют сведения о качестве генерируемого напряжения.
Задачей полезной модели является уменьшение аппаратных затрат в схеме инвертора напряжения, генерирующего ступенчатое напряжение с низким содержанием гармонических составляющих.
Поставленная задача достигается тем, что в однофазном инверторе со ступенчатым выходным напряжением, состоящем из однофазного инверторного моста и подключенного к его входам питания коммутатора, содержащего три последовательно включенные цепи, каждая из которых состоит из источника постоянного напряжения и транзистора с обратным диодом, согласно предлагаемому решению в каждой из цепей коммутатора используется транзистор с обратным диодом, включенный параллельно и противофазно цепи коммутатора.
Предполагаемая полезная модель поясняется чертежами: на Фиг.1 представлена схема однофазного инвертора со ступенчатым выходным напряжением, на Фиг.2 - график выходного напряжения однофазного инвертора со ступенчатым выходным напряжением, на Фиг.3-временные диаграммы управления транзисторами,
где:
1 - блок коммутатора
2 - однофазный инверторный мост
33 - график управляющего сигнала транзисторов 19 и 22
34 - график управляющего сигнала транзисторов 20 и 21
Устройство однофазного инвертора со ступенчатым выходным напряжением содержит блок коммутатора 1, подключенный к шинам питания однофазного инверторного моста 2 с нагрузкой 3 на выходе (Фиг.1.). Представленная схема генерирует напряжение ступенчатой формы, имеющее восемь уровней на полупериоде, считая нулевой уровень (Фиг.2.).
Блок коммутатора 1 состоит из трех источников постоянного напряжения 4-6 с соотношением напряжений 1:2:4, шести транзисторов 7-12 с обратными диодами 13-18. Транзисторы 7, 8 и 9 соединены последовательно и согласно с источниками постоянного напряжения 4, 5 и 6. Каждый из транзисторов 10, 11 и 12 включен параллельно и в обратном направлении относительно цепи из последовательно соединенных источника постоянного напряжения 4,5 и 6 и транзистора 7, 8 и 9. Однофазный инверторный мост 2 состоит из четырех транзисторов 19-22, шунтированных обратными диодами 23-26 (Фиг.1.).
Устройство работает следующим образом.
В каждый из моментов времени к нагрузке 3 прикладывается либо напряжение одного из источников постоянного напряжения 4-6, либо суммарное напряжения любых двух из источников постоянного напряжения 4-6, либо суммарное напряжение всех трех источников постоянного напряжения 4-6. Транзисторы 7-12 коммутируются таким образом, чтобы обеспечить ступенчатое увеличение либо спад напряжения, прикладываемого к нагрузке 3 (Фиг.2).
Из графиков управляющих сигналов 27-34 (Фиг.3.) видно, что транзисторы 7 и 10, 8 и 11, 9 и 12 работают противофазно и частоты их коммутации различаются.
Процесс функционирования устройства рассмотрим на примере второй четверти периода, когда напряжение, прикладываемое к нагрузке, снижается, что приводит к необходимости возврата реактивной энергии, накопленной в индуктивной части нагрузки, источникам постоянного напряжения. На первой четверти периода коммутация происходит в обратном порядке (Фиг.3).
В интервале 71-109 градусов (Фиг.2.) открыты транзисторы 7, 8, 9 и закрыты транзисторы 10, 11, 12 (Фиг.1.). В результате к входам инверторного моста 2 прикладывается суммарное напряжение источников постоянного напряжения 4, 5 и 6, формируя восьмую ступень (Фиг.2.) выходного напряжения на нагрузке 3.
В интервале 109-123 градуса открыты транзисторы 8 и 9, а транзистор 7 закрыт. В результате к входам однофазного инверторного моста 2 прикладывается суммарное напряжение источников постоянного напряжения 5 и 6, формируя седьмую ступень выходного напряжения на нагрузке 3. Возврат реактивной мощности, накопленной в индуктивной части нагрузки, источникам постоянного напряжения 5 и 6 происходит через транзистор 10 и обратные диоды 14 и 15.
В интервале 123-136 градусов открыты транзисторы 7 и 9, обеспечивая приложение к однофазному инверторному мосту 2 суммарного напряжения источников постоянного напряжения 4 и 6, что формирует шестую ступень выходного напряжения на нагрузке 3. Возврат реактивных токов нагрузки источникам постоянного напряжения 4 и 6 осуществляется через транзистор 11 и обратные диоды 13 и 15.
В интервале 136-148 градусов открыт транзистор 9 и закрыты транзисторы 7 и 8. Таким образом, к входу однофазного инверторного моста 2 прикладывается напряжение источника постоянного напряжения 6, формируя пятую ступень выходного напряжения на нагрузке 3. Возврат накопленной в нагрузке реактивной мощности в источник постоянного напряжения 6 обеспечивается через открытые транзисторы 10 и 11 и обратный диод 15.
В интервале 148-159 градусов к входу однофазного инверторного моста 2 подключены источники постоянного напряжения 4 и 5 через открытые транзисторы 7 и 8 и обратный диод 18. Таким образом, формируется четвертая ступень выходного напряжения на нагрузке 3. Для возврата реактивной мощности нагрузки в этом интервале остается открытым транзистор 12.
В интервале 159-169 градусов закрыт транзистор 7, и открыт транзистор 8. В результате, к входу однофазного инверторного моста 2 через транзистор 8 и обратные диоды 16 и 18 прикладывается напряжение источника постоянного напряжения 5, что обеспечивает формирование третьей ступени выходного напряжения на нагрузке 3. В этом же интервале открыты транзисторы 10 и 12, обеспечивая возврат накопленной в нагрузке реактивной энергии источнику постоянного напряжения 5.
В интервале 169-178 градусов транзистор 7 открыт, а транзистор 10 закрыт. В результате, напряжение источника постоянного напряжения 4 через транзистор 7 и обратные диоды 17 и 18 оказывается приложенным к однофазному инверторному мосту 2, формируя вторую ступень выходного напряжения на нагрузке 3. Транзисторы 11 и 12 в этом интервале также открыты, обеспечивая каналы для возврата реактивных токов нагрузки источнику постоянного напряжения 4 через обратный диод 13.
В интервале 178-182 градуса транзисторы 7, 8, 9 закрыты, а 10, 11, 12 - открыты. В результате к однофазному инверторному мосту 2 прикладывается нулевое напряжение, и циркуляция накопленной в индуктивной части нагрузки энергии осуществляется через соответствующие обратные диоды 23 и 26 однофазного инверторного моста 2 и транзисторы 12, 11 и 10. Таким образом, в интервале 0-2 градуса нагрузка 3 оказывается закороченной указанными обратными диодами.
На втором полупериоде коммутация транзисторов 7-12 происходит в том же порядке, что и на первом полупериоде. Однако транзисторы 19, 22 однофазного инверторного моста 2 закрыты, а 20 и 21 - открыты, благодаря чему на нагрузке формируется отрицательное напряжение.
Предложенная схема инвертора генерирует ступенчатое напряжение, имеющее восемь уровней на полупериоде, включая ступень нулевого уровня, что обеспечивает суммарный коэффициент гармонических составляющих 6.99% при учете всего диапазона составляющих спектра. При этом предложенная схема характеризуется меньшими аппаратными затратами по сравнению со схемой прототипа за счет использования тиристоров, шунтированных обратными диодами, вместо ключей переменного тока. Значения гармонических составляющих спектра выходного напряжения приведены в таблице 1.
Таблица 1. Значения гармонических составляющих выходного напряжения инвертора
Порядок гармонической составляющей
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
Значение гармонической составляющей, %
1,9
3,2
0,8
0,4
1,1
0,2
1,3
0,3
0,9
0,2
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.