ТРЕХУРОВНЕВЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ
THREE-LEVEL VOLTAGE INVERTER

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к преобразователям электрической энергии напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока (инверторам), и может быть использовано в составе двухзвенных преобразователей частоты либо в электроэнергетических системах с питанием от источника постоянного тока.
Известно устройство однофазного мостового автономного инвертора напряжения [патент RU 2421870, кл. Н02М 7/53846, авторы патента: Иванов А. Г., Арзамасов В.Л., дата выдачи 20.06.2011], содержащего мостовой преобразователь, выполненный на четырех диодах и четырех транзисторах. В представленном устройстве реализуется преобразование постоянного напряжения в однофазное напряжение переменного тока.
Известна схема двухуровнего инвертора напряжения преобразователя частоты [патент RU 2491702 С2, кл. Н02М 5/00, авторы патента: Гельвер Ф.А., Махонин С.В., дата 22.08.2011], содержащего шесть силовых транзисторов с антипараллельными диодами. Данные шесть транзисторов образуют трехфазный двухуровневый инвертор напряжения.
Недостаток устройства заключается в том, что в выходном напряжении инвертора содержатся значительные гармонические искажения. Еще одним из недостатков известной схемы двухуровнего инвертора напряжения является большое значение потерь в силовых полупроводниковых элементах и, как следствие, небольшой КПД по сравнению со схемами трехуровневых инверторов напряжения.
Известно устройство трехуровнего инвертора напряжения с нулевой точкой [патент СА 254,3023 A1, DC voltage balance control for three-level NPC power converters with even order harmonic elimination scheme, класс H02M 1/08, H02M 7/797, H02M 7/68, авторы патента: Feng Weixing W., Xu Dewei, Liu Congwei, Wu Bin, дата 12.04.2006], содержащего конденсаторы звена постоянного тока, двенадцать транзисторов с антипараллельными диодами и шесть кламперных диодов, образующих трехуровневый инвертор напряжения с нулевой точкой. Достоинством такой схемы является то, что такая схема имеет больший КПД, а в выходном синусоидальном напряжении содержится меньше неосновных гармоник.
Недостатком данного инвертора напряжения является наличие большого числа силовых полупроводниковых приборов. Еще одним из недостатков известного трехуровнего инвертора напряжения является то, что при включении двух верхних (двух нижних) транзисторов напряжение на двух нижних (верхних) транзисторах может распределяться неравномерно, что требует установки дополнительных цепей принудительного распределения напряжения.
Наиболее близким и принятым за прототип по технической сущности является схема инвертора напряжения [патент CN 104092400 А, кл. Н02М 7/5395, 08.10.2014], содержащая трехуровневый инвертор напряжения, построенный по Т-образной схеме. В данной схеме каждое плечо инвертора содержит четыре транзистора с антипараллельными диодами. Достоинством такой схемы является то, что данная схема имеет меньшее количество полупроводниковых элементов, а следовательно, меньшее значение статических потерь и менее сложную систему управления как аппаратную, так и алгоритмическую. Большим достоинством известной схемы является то, что в каждый момент времени определен потенциал на каждом из полупроводниковых элементов и нет необходимости в установке дополнительных цепей принудительного распределения напряжения. Известная схема помимо отмеченных достоинств является более простой и надежной по сравнению со схемой трехуровневого инвертора напряжения с нулевой точкой. Качество формируемого напряжения на выходе трехуровнего инвертора построенного по Т-образной схеме находиться на том же уровне что и качество напряжения формируемого инвертором на базе трехуровнего инвертора с нулевой точкой.
Недостатком известной схемы остается большое число полностью управляемых силовых ключей - транзисторов.
Задачей предлагаемого изобретения является сокращение числа полностью управляемых силовых ключей - транзисторов инвертора напряжения, а следовательно, сокращение числа драйверов силовых транзисторов и значительное упрощение системы управления. Предложенный трехуровневый инвертор напряжения позволит повысить надежность, эффективность и улучшить габаритные и эксплуатационные характеристики инвертора напряжения. Еще одним из достоинств предложенной схемы трехуровнего инвертора напряжения является простота силовой части и простота реализации алгоритма управления силовыми транзисторами по алгоритму двухуровнего ШИМ либо алгоритму трехуровнего ШИМ. Предложенный трехуровневый инвертор напряжения может быть использован в составе преобразователя частоты.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в трехуровневом инверторе напряжения, содержащем систему управления, два конденсатора подключенных параллельно двум последовательно соединенным источникам постоянного напряжения и образующих плюсовую, нулевую и минусовую шины и инвертора напряжения содержащего плечи инвертора, количество которых равно числу выходных фаз, каждое из плеч инвертора напряжения содержит три транзистора каждый из которых содержит анти-параллельно подключенный диод, причем коллектор первого транзистора соединен с плюсовой шиной источника постоянного напряжения эмиттер первого транзистора соединен с коллектором второго транзистора эмиттер, которого соединен с минусовой шиной источника постоянного напряжения, к общей точке соединений первого и второго транзисторов подключен выход плеча инвертора напряжения, предусмотрены следующие отличия: данная схема содержит однофазные двухполупериодные выпрямители, количество которых равно числу выходных фаз инвертора напряжения то есть в каждом плече инвертора напряжения содержится по одному однофазному двухполупериодному выпрямителю причем первый вывод переменного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя соединен с общей точкой соединения первого и второго транзисторов, а второй вывод переменного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя соединен с нулевой шиной источников постоянного напряжения, положительный вывод однофазного двухполупериодного выпрямителя соединен коллектором третьего транзистора эмиттер которого соединен с минусовым выводом однофазного двухполупериодного выпрямителя.
Кроме того, предложенный трехуровневый инвертор напряжения дополнительно содержит контактор с катушкой и нормально разомкнутыми контактами, число которых равно числу выходных фаз инвертора напряжения, причем катушка контактора подключена к системе управления, а каждый из контактов, число которых равно числу плеч инвертора напряжения включен в каждом из плеч инвертора напряжения между общей точкой соединения первого, второго транзистора с выходом инвертора напряжения и первым выводом переменного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Трехуровневый инвертор напряжения, схема которого представлена на Фиг. 1, содержит систему управления 1, два конденсатора 2, 3 подключенных параллельно двум последовательно соединенным источникам постоянного напряжения 4, 5 и образующих плюсовую 6, нулевую 7 и минусовую 8 шины и инвертора напряжения 9. Инвертор напряжения 9 содержит плечи инвертора 10-1÷10-n, количество которых равно числу выходных фаз. Каждое из плеч инвертора 10-1÷10-n содержит три транзистора 11-13, каждый из которых содержит антипараллельно подключенный диод. Коллектор первого транзистора 11 соединен с плюсовой шиной 6 источника постоянного напряжения 4, эмиттер первого транзистора 11 соединен с коллектором второго транзистора 12, эмиттер которого соединен с минусовой шиной 8 источника постоянного напряжения 5. К общей точке соединений первого и второго транзисторов 11, 12 подключен выход L1 (L2÷Ln) плеча 9-1 (9-2÷9-n) инвертора напряжения 9. Инвертор напряжения 9 содержит однофазные двухполупериодные выпрямители 14-1÷14-n, количество которых равно числу выходных фаз инвертора напряжения 9, то есть в каждом плече 10-1÷10-n инвертора напряжения содержится по одному однофазному двухполупериодному выпрямителю 14-1 (14-2÷14-n). Первый вывод переменного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя 14-1 (14-2÷14-n) соединен с общей точкой соединения первого и второго транзисторов 11, 12, а второй вывод переменного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя 14-1 (14-2÷14-n) соединен с нулевой шиной 7 источников постоянного напряжения 4, 5. Положительный вывод однофазного двухполупериодного выпрямителя 14-1 (14-2÷14-n) соединен коллектором третьего транзистора 13, эмиттер которого соединен с минусовым выводом однофазного двухполупериодного выпрямителя 14-1 (14-2÷14-n).
Трехуровневый инвертор напряжения, схема которого представлена на Фиг. 2, дополнительно содержит контактор с катушкой 15 и нормально разомкнутыми контактами 16-1÷16-n, число которых равно числу выходных фаз инвертора напряжения 9. Катушка контактора 15 подключена к системе управления 1. Каждый из контактов 16-1 (16-2÷16-n), число которых равно числу плеч 10-1÷10-n инвертора напряжения 9, включен в каждом из плеч 10-1÷10-n инвертора напряжения 9. Контакт 16-1 (16-2÷16-n) включен между общей точкой соединения первого 11, второго 12 транзистора с выходом L1 (L2÷Ln) инвертора напряжения 9 и первым выводом переменного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя 14-1 (14-2÷14-n).
Работа трехуровнего инвертора напряжения (Фиг. 1) происходит следующим образом. В системе управления 1 синтезируются функции управления ключами по следующему алгоритму;
10-1
10-2
10-n
1) формируются напряжения управления (U, U … U) каждого из плеч 10-1÷10-n инвертора напряжения 9
мод
где K - коэффициент модуляции, ω=2⋅π⋅f - угловая частота вращения напряжения управления, f - частота напряжения управления;
оп+
оп-
2) формируются два опорных напряжения (U, U)
нес
нес
нес
где ω=2⋅π⋅f - угловая частота вращения опорного напряжения, f - несущая частота опорного напряжения;
3) синтезируются функции управления транзисторами 11-13 каждого из плеч 10-1÷10-n инвертора напряжения 9
где sign(x) - знак числа х.
10-1
оп+
оп-
11 (10-1)
13 (10-1)
12 (10-1)
На Фиг. 3 изображены: на первой осциллограмме напряжение управления U, опорные напряжения U, U; на второй осциллограмме - функция управления первым транзистором 11 (VT) первого плеча 10-1; на третьей осциллограмме - функция управления третьим транзистором 13 (VT) первого плеча 10-1; на четвертой осциллограмме - функция управления вторым транзистором 12 (VT) первого плеча 10-1.
мод
нес
d
На Фиг. 4 изображена осциллограмма линейного напряжения на выходе трехуровнего инвертора напряжения при параметрах напряжения управления и опорного напряжения K=0.9, f=50 Гц, f=1000 Гц, суммарным напряжением на двух конденсаторах 2, 3 звена постоянного тока U=932 В, характер нагрузки - активно-индуктивный.
мод
нес
d
На Фиг. 5 изображена осциллограмма фазного напряжения на активно-индуктивной нагрузке при параметрах напряжения управления и опорного напряжения K=0.9, f=50 Гц, f=1000 Гц, и суммарным напряжением на двух конденсаторах 2, 3 звена постоянного тока U=932 В.
Трехуровневый инвертор напряжения, схема которого представлена на Фиг. 2, работает следующим образом. В штатном режиме, когда исправны все третьи транзисторы 13 и все однофазные двухполупериодные выпрямители 14-1÷14-n каждого плеча 10-1÷10-n инвертора напряжения 9, система управления подаст питание на катушку управления 15 контактора, который, сработав, включит контакты 16-1÷16-n, и схема трехуровнего инвертора напряжения будет собрана аналогично схеме, изображенной на Фиг. 1, и алгоритм управления транзисторами 11-13 каждого из плечей 10-1÷10-n инвертора напряжения 9 аналогичен алгоритму управления трехуровнего инвертора напряжения, изображенного на Фиг. 1.
В случае отказа либо выхода из строя одного или нескольких третьих транзисторов 13 или однофазного двухполупериодного выпрямителя 14-1 (14-2÷14-n) плеча 10-1 (10-2÷10-n) инвертора напряжения 9 система управления отключит катушку управления 15 контактора, который выключит контакты 16-1÷16-n. Схема трехуровнего инвертора напряжения будет собрана по классической схеме двухуровнего инвертора напряжения, а функции управления первого 11 и второго 12 транзисторов каждого плеча 10-1÷10-n инвертора напряжения 9 изменятся по алгоритму управления классической двухуровневой ШИМ.
На Фиг. 6 изображена схема трехфазного преобразователя частоты на базе трехуровнего инвертора напряжения, содержащего всего девять инверторных транзисторов 11-13 всех трех плеч 10-1, 10-2, 10-3 инвертора 9, двух тормозных прерывателей 17 с тормозными резисторами 18, 19 и выпрямителя 20, собранного на двух последовательно соединенных выводами постоянного тока трехфазных двухполупериодных выпрямителях 21, 22. Схема трехфазного преобразователя частоты на базе трехуровнего инвертора напряжения отличается универсальностью, простотой схемотехнической реализации и высокой степенью надежности.
Таким образом, предлагаемый трехуровневый инвертор напряжения позволит сократить число полностью управляемых силовых ключей - транзисторов. Такое схемное решение позволит сократить число драйверов силовых транзисторов и значительно упростить систему управления. Предложенный инвертор напряжения позволяет повысить надежность, эффективность и улучшить габаритные и эксплуатационные характеристики инвертора напряжения и преобразователя частоты на его основе, что выгодно отличает его от прототипа.