МНОГОУРОВНЕВЫЙ АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР ФАЗНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в частотно-регулируемых электроприводах и системах вторичного электропитания.
Известен многоуровневый инвертор напряжения с питающим трансформатором, секции вторичной обмотки которого переключаются при помощи полупроводниковых управляемых ключей (Авт. свид. СССР №1601720, публ. 23.10.90, бюл. №39).
Известное устройство аналогичного назначения позволяет сформировать ступенчатое напряжение на однофазной нагрузке, однако наличие входного трансформатора усложняет и удорожает устройство, кроме того, в трехфазном варианте исполнения двигатель должен иметь шесть выводов вместо общепринятых трех.
Известен многоуровневый трехфазный инвертор, содержащий подключенный к крайним выводам секционированного источника питания трехфазный мост управляемых ключей, два дополнительных последовательно соединенных ключа, общий вывод которых подсоединен к нулевой цепи трехфазной нагрузки, а крайние выводы подключены к центральной секции источника питания.(Авт. свид. СССР №1246305, публ. 23.07.86, бюл. №27).
Известный трехфазный инвертор обеспечивает фазное выходное напряжение двухступенчатой формы, не содержащее третьей гармоники. Недостатком известного устройства является сложность системы вследствие наличия секционированного источника питания. Кроме того, в
известном устройстве в качестве дополнительных ключей могут быть использованы только полностью управляемые полупроводниковые приборы, например, IGB-транзисторные модули, что приводит к значительным электрическим потерям и дороговизне известного устройства.
Устройством, наиболее близким к заявляемому, является многоуровневый автономный инвертор фазных напряжений, содержащий мосты, образованные параллельными ветвями, состоящими из последовательно соединенных ключей, выводы постоянного тока которых подключены к полюсам секций источника питания, уровни потенциалов которых возрастают по модулю относительного нулевого вывода источника питания (патент РФ №2204880, публ. 20.05.2003).
Известное устройство позволяет получить регулируемое по уровню, частоте и форме многофазное переменное напряжение на выходе. Недостатком известного многоуровневого автономного инвертора фазных напряжений является его сложность и недостаточно высокая надежность вследствие наличия секционированного источника питания. Кроме того, в известном устройстве неэффективно (кратковременно) используются сильноточные ключи на низком уровне напряжения. Это особенно проявляется в тяговом электроприводе, у которого максимальный ток при низком напряжении имеет место только при пуске локомотива, а в длительном режиме при высоком напряжении ток мал. Наличие большого количества транзисторов в известном устройстве обуславливает его дороговизну, существенные электрические потери, а также снижает надежность.
В основу заявляемой полезной модели поставлена задача создания многоуровневого автономного инвертора фазных напряжений, в котором введение новых элементов и новых связей между элементами позволяет снизить потери энергии в ключах и повысить надежность работы.
Заявляемый многоуровневый автономный инвертор фазных напряжений, как и ближайший аналог содержит параллельные ветви, каждая из которых включает по меньшей мере два последовательно соединенных транзисторных ключа, встречно параллельно которым подключены диоды и образующих по меньшей мере два синхронизированных по фазе моста с одноименными выводами переменного напряжения от средних точек ветвей, к которым подключена нагрузка, а выводы постоянного напряжения мостов подключены соответственно к полюсам источника питающего постоянного напряжения.
Согласно полезной модели, между одноименными выводами переменного тока мостов включены группы, каждая из которых состоит из двух встречно параллельно соединенных одно-операционных тиристоров.
Увеличение числа уровней квантования выходного напряжения осуществляется путем увеличения количества мостов, при этом исключается секционирование источника постоянного питающего напряжения, что приводит к повышению надежности работы многоуровневого автономного инвертора фазных напряжений. Подключение между одноименными выводами переменного напряжения мостов инвертора групп из двух встречно параллельно соединенных однооперационных тиристоров позволило снизить электрические потери и повысить эксплуатационную надежность устройства.
Полезная модель позволяет повысить надежность работы многоуровневого автономного инвертора фазных напряжений и снизить потери энергии в ключах, обеспечивая регулируемое по уровню, форме и частоте многоуровневое напряжение на выходе.
Суть заявляемой полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена схема двухуровневого автономного инвертора фазных напряжений, однофазной нагрузкой которого могут быть секции общего потребителя или автономные потребители.
На фиг.2 представлена схема двухуровневого автономного инвертора фазных напряжений с трехфазными нагрузками.
На фиг.3 приведена диаграмма переключении полупроводниковых приборов в схеме на фиг.1 и кривые выходных напряжений и тока на первом уровне напряжения (первом этапе регулирования напряжения на нагрузке).
На фиг.4 приведена диаграмма переключении полупроводниковых приборов в схеме на фиг.1 и кривые выходных напряжений и тока на втором уровне напряжения (втором этапе регулирования напряжения на нагрузке).
Многоуровневый автономный инвертор фазных напряжений содержит параллельно соединенные ветви, крайние общие точки которых подключены к полюсам источника питающего постоянного напряжения.
Каждая ветвь состоит из последовательно соединенных транзисторных ключей 1, встречно параллельно которым включены диоды 2. Конструктивно полупроводниковые структуры силового биполярного транзисторного ключа 1 и обратного диода 2 выполнены в виде IGBT модуля. Ветви образуют однофазные (фиг.1) или трехфазные (фиг.2) мосты 3, синхронизированные между собой по фазе. Ветви имеют выводы 4 переменного напряжения от средних точек ветвей.
Между одноименными выводами переменного тока мостов включены группы, каждая из которых состоит из двух встречно параллельно соединенных одно-операционных тиристоров 5. К выводам 4 мостов 3 подключены нагрузки Z1, Z2 либо электрически не связанные друг с другом, либо секции одной общей расщепленной нагрузки (фиг.1), либо трехфазные нагрузки M1, M2 (фиг.2).
Увеличение числа уровней квантования выходного напряжения осуществляется путем наращивания количества мостов.
Устройство работает следующим образом. Регулирование величины выходного напряжения многоуровневого автономного инвертора фазных напряжений и формирование синусоиды тока нагрузки осуществляется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) питающего постоянного напряжения в сочетании с квантованием амплитуды выходного напряжения инвертора.
При регулировании выходного напряжения инвертора от нуля до полного напряжения, равного напряжению источника питающего постоянного напряжения Е, квантование его амплитуды осуществляется в два этапа.
s
1
2
ν
0
1
2
ν
0
м
м
На первом этапе квантования амплитуды выходного напряжения инвертора порядок переключении длительности проводящего состояния полупроводниковых приборов на периоде выходного напряжения T при формировании положительной полуволны тока i определяется алгоритмом, как представлено на фиг.3. Нагрузки Z и Z на интервалах t соединяются последовательно и подключаются к источнику питающего постоянного напряжения, таким образом, к каждой из упомянутых нагрузок прикладывается импульс напряжения с амплитудой . На интервалах t нагрузки отключаются от источника, и напряжение на нагрузках Z и Z равно нулю. Соблюдается соотношение t+t=τ, где , где Т - период модуляции. Коэффициент заполнения  изменяется по заданному закону ШИМ и по заданному уровню выходного напряжения на каждом интервале Т. Таким образом, величина выходного напряжения инвертора Uэ изменяется от нуля до  при изменении суммарного коэффициента заполнения от нуля до единицы.
w
1
2
w
ν
На втором этапе квантования амплитуды выходного напряжения инвертора алгоритм управления инвертором иллюстрирует фиг.4. На интервалах t нагрузки Z и Z параллельно подключаются к источнику питающего постоянного напряжения, таким образом, к каждой из упомянутых нагрузок прикладывается импульс напряжения с амплитудой Е. Соблюдается соотношение t+t=τ. Коэффициент заполнения  изменяется от нуля до единицы. Таким образом, величина выходного напряжения инвертора Uээ на втором этапе изменяется от  до Е.
0
ν
ν
w
k
k
При протекании активного тока нагрузки до момента  в IGBT модулях инвертора ток проводят транзисторные ключи 1, что в обозначениях приборов отмечено буквой «т», например, PA 1.т. После изменения полярности напряжения на нагрузке с момента  и в течение времени , где  протекает индуктивный ток нагрузки, который в IGBT модулях инвертора проводят диоды 2, что в обозначениях приборов отмечено буквой «д», например, МА1.Д. При протекании индуктивного тока нагрузки при переходе от интервалов t к интервалам t на первом этапе регулирования и при переходе от t к t на втором этапе регулирования предусмотрены интервалы t, в течение которых осуществляется принудительное отключение соответствующего однооперационного тиристора. Длительность интервала t определяется временем восстановления управляющих свойств тиристора при приложении к нему напряжения источника питающего постоянного напряжения в обратном направлении и составляет для быстродействующих одно-операционных тиристоров величину порядка 8...32 мкс. Так, например, отключение одно-операционного тиристора А 21
k
k
IV
на интервале t′′′ осуществляется кратковременным включением пары транзисторов PA1.T и MA1.T; отключение одно-операционного тиристора В 12 на интервале t  осуществляется при включении пары транзисторов РВ 2.т и МВ 1.т. Как описано выше, одно-операционные тиристоры А 21 и В 12 задействованы при формировании положительной полуволны тока i. При формировании отрицательной полуволны тока i вместо них функционируют соответственно одно-операционные тиристоры А 12 и В 21.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет повысить надежность работы многоуровневого автономного инвертора фазных напряжений и снизить потери энергии в ключах при обеспечении регулируемого по уровню, частоте и форме многофазного переменного напряжения на выходе.