Многоуровневый автономный инвертор напряжения с одноуровневым источником напряжения

УДК 621.314.3

А. В. Переверзев, Д. А. Кузнецов

Многоуровневый автономный инвертор напряжения с одноуровневым источником напряжения

Предложена схема многоуровневого автономного инвертора напряжения (МАИН). Определены рабочая область входных напряжений и рабочих частот инвертора, получены соотношения для расчета его потерь мощности и коэффициента полезного действия (КПД). Даны рекомендации по выбору рабочих частот и числа уровней квантования напряжения МАИН.

Создание современных систем автономного питания (с ветро- или дизель- генераторами) напряжением до 1 кВ осуществляется с применением преобразователей частоты (ПЧ). При этом более эффективно задача снижения потерь мощности преобразования и повышения качества выходной энергии решается использованием в ПЧ многоуровневых автономных инверторов напряжения (МАИН) [1], которые характеризуются выходными напряжениями ступенчатой формы, аппроксимирующими синусоидальные сигналы. МАИН обладают следующими достоинствами: качество выходного напряжения приближается к принятым стандартам; силовые цепи инвертора могут выполняться на низко-вольтных полупроводниковых приборах; более низкие по сравнению с одноуровневыми автономными инверторами потери мощности.

Проведенный анализ из [2, 3] существующих принципов построения силовых цепей и методов формирования выходного напряжения в МАИН позволяет выделить два основных способа построения многоуровневых преобразователей (МПЧ):

- преобразователи на базе МАИН с источни-ком постоянного напряжения, имеющим несколько уровней напряжения (со схемой, показанной на рис. 1, а) [2];

- каскадные МПЧ с последовательным соединением инверторов и суммированием в выходных цепях напряжений изолированных источников постоянного тока (характеризуется схемой на рис.1, б) [4].

При увеличении в схеме МАИН на рис. 1, б числа уровней выходного напряжения увеличивается количество последовательно включенных силовых приборов, что приводит к возрастанию статических потерь. В схеме на рис. 1, б с каскадным включением с ростом уровней формируемого напряжения возрастает количество каскадов, силовых ключей и снижается КПД. Обоим отмеченным выше способам построения МПЧ присуща общая проблема - необходимость использования нескольких независимых источников постоянного напряжения, что приводит к усложнению и удорожанию МПЧ с ростом числа формируемых уровней выходного напряжения.

Цель данной статьи - анализ предложенной новой схемы МАИН, получение для нее аналитических соотношений для расчета основных параметров и характеристик, рекомендаций по применению.

а)

б)

Рис. 1. Схема МАИН: а - с многоуровневым источником питания; б - каскадного.

© А. В. Переверзев, Д. А. Кузнецов 2007 р.

Для решения описанных выше задач разработана схема четырехуровневого МАИН [5], представленная на рис. 2, в которой, благодаря соответствующему включению силовых приборов, достигается снижение потерь и повышение КПД схемы, а питание осуществляется от одного источника постоянного напряжения.

Принцип работы данного устройства поясним с помощью табл. 1 и табл. 2. В начальный момент все ключи закрыты и конденсаторы делителя С1, С2 и С3 заряжены. При открывании ключа VT2 из верхней параллельной группы и дополнительного ключа VT9 напряжение на нагрузке равняется напряжению конденсатора С2 (равному и^/3, где Ud - полное напряжение источника питания постоянного тока). Когда конденсатор разрядится до допустимого граничного значения, закроется предыдущая группа ключей и откроются транзисторы VT3 и VT10, после чего к нагрузке подключится конденсатор С3. Этим достигается выравнивание уровня напряжения, формируемого емкостным делителем.

Следующий уровень напряжения, равный 2и^/3, формируется при включении транзисторов VT1 и VT9, после чего напряжение на нагрузке равняется напряжению конденсаторов С1 и С2. При уменьшении напряжения на нагрузке до допустимого граничного значения предыдущая группа ключей закрывается и включаются транзисторы VT2 и VT10, после чего напряжение на нагрузке становится равным напряжению конденсаторов С1 и С2.

Очередной уровень напряжения, равный ис1, формируется при включении транзисторов VII и VT10; после этого конденсаторы делителя заряжаются для осуществления последующего этапа формирования выходного напряжения. Последующий алгоритм работы силовых ключей соответствует обратному порядку, по сравнению с выше описанным (согласно табл. 1).

Рис. 2. Электрическая схема четырехуровневого инвертора напряжения

Формирование отрицательной полуволны выходного напряжения инвертора выполняется по алгоритму, аналогичному формированию положительной полуволны, но - для нижней группы силовых ключей и дополнительных ключей VI? и VT8 (согласно табл. 2). Применение широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в пределах каждого формируемого уровня напряжения значительно снижает коммутационные потери мощности в силовых ключах, так как с частотой ШИМ коммутируется не полное значение напряжения и^,

а только его часть - и^ /3 .

Для сброса энергии, накопленной в нагрузке и других цепях при протекании коммутируемого тока, и исключения перенапряжения на силовых ключах служат обратные диоды. Для основных последовательно соединенных ключей VII и VT6 включены диоды VD1 и VD2, а для параллельных ключей в момент коммутации при ШИМ открывается соответствующий силовой ключ: для транзистора VT2 - открывается транзистор VT4, для транзистора VT3 - открывается транзистор VT5. Таким образом, при ШИМ в момент коммутации напряжения и формирования положительной полуволны роль обратного диода для транзистора VT2 выполняет транзистор VT4, а для транзистора VT3 - роль обратного диода выполняет транзистор VT5.

В табл. 1 показаны состояния ключей инвертора, где «0» - соответствует закрытому состоянию ключа, «1» - открытому состоянию при ШИМ, «2» - открытому состоянию. Для осуществления возможности использования одноуровневого источника питания постоянного тока в схему введены дополнительные силовые ключи VT8 и VT9, позволяющие реализовать алгоритм управления в соответствии с табл. 2.

Оценим область значений входных напряжений, частот и количество уровней для рационального применения предложенного четырехуровневого МАИН. Для этого определим коэффициент полезного действия (КПД) этого МАИН в зависимости от указанных величин.

Таблица 1. Алгоритм коммутации силовых ключей МАИН

VT1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

VT2 0 1 2 2 1 0 0 2 0 0 0 0 2 0

VT3 1 2 0 0 2 1 0 0 2 0 0 2 0 0

VT4 0 2 0 0 2 0 0 1 2 0 0 2 1 0

VT5 2 0 0 0 0 2 0 0 1 2 2 1 0 0

VT6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0

VT7 0 0 0 0 0 0 0 2 2 2 2 2 2 0

VT10 2 2 2 2 2 2 0 0 0 0 0 0 0 0

Таблица 2. Режимы заряда/разряда емкостей делителя постоянного напряжения

Напряжение нагрузки Конденсаторы, подключаемые к нагрузке Конденсаторы, находящиеся в режиме зарядки Открытые силовые ключи Интервал работы МАИН

и/3 С2 С3 С2 уТ2, ух9 УТ3, УТ10

2ЦУ3 С1+С2 С2+С3 С3 С1 УТ1, УТ9 УТ2, УТ10

и С1+С2+С3 С2, С3 УТ1, УТ10 [0; п ]

2ЦУ3 С2+С3 С1+С2 С3 УТ2, УТ10 УТ1, УТ9

и/3 С3 С2 С1, С2 С3 УТ3, УТ10 УТ2, УТ9

0 - С1,С2, С3 -

и/3 С2 С1 С2 УТ8, УТ5 УТ7, УТ4

2и/3 С2+С3 С1+С2 С1 С3 УТ8, УТ6 УТ7, УТ5

и С1+С2+С3 С1, С2 УТ7, УТ6 [ п ; 2 п ]

2и/3 С1+С2 С2+С3 С1 УТ7, УТ5 УТ8, УТ6

и/3 С1 С2 С2, С3 С1 УТ8, УТ5 УТ7, УТ4

0 - С1, С2, С3 -

КПД п рассчитаем по формуле [6]:

П

Р - АР Р

1 -

АР Р

где Р - потребляемая инвертором мощность, др -мощность потерь в инверторе.

Используя известные соотношения [6], найдем мощности Р и ДР через входное напряжения иа, частоту коммутации / силовых ключей и количество формируемых уровней к выходного напряжения:

Р = ил • 1Л, |

ДР = Р*+Рл+X Руп(УГ)\

где - входной ток инвертора; Р$ - мощность статических потерь, Р^ - мощность динамических потерь;

XРуо(ут) - сумма потерь мощности в обратных диодах и ключах (в моменты времени выполнения последними функций обратных диодов). Определим статические потери [6]:

Р8=(иМЕ°В+1 Ше)1сМ ,

к  п

где иМ°° - остаточное напряжение на открытом модулирующем ключе; и'сЕ - остаточное напряжение

на приборах, работающих с частотой ШИМ; М - коэффициент модуляции; 1с - средний ток, протекающий через силовой ключ.

Динамические потери находим из соотношения [6]:

РИ — Рпп + Рг>1

где Роп - мощность потерь при включении силового

прибора; Род- - мощность потерь при выключении силового прибора.

Подставив (2), (3) и (4) в (1), получим выражение для расчета КПД исследуемого МАИН:

П = 1 --

1 к

(иМ°°°+ к ТР'се)1с

М

+ Роп+Ро]Т+ X Р

УБ

ил.

.

а1 а

В качестве примера проведем анализ полученного соотношения (5) для рассмотренного МАИН, реализованного на основе ЮБТ-транзисторов.

Статические потери мощности определим следующим образом [6]:

и п т М

Р=иСЕ  1С п--,

п

где и се - прямое падение напряжения на открытом ключе (для ЮБТ-транзисторов, предназначенных для

п

работы в рассматриваемом диапазоне частот, оно характеризуется значениями от 2,5В до 3,2В); п -количество ключей в цепи тока нагрузки.

Динамические потери находим из соотношения [6]:

Pd =

n • U £ 24 • Ls

• Г •

'on

f+

П • I

k.max

24 • Cs

'off '

f =

/т т2 j.2 T 2 J.2

_ •

24

Ls.

c<

где Uk - коммутируемое напряжение силовым клю-максимальный коллекторный ток кол-

чом, I.

к.тах

лектора ЮБТ-транзистора, ton и /о0. - времена включения и выключения силовых приборов соответственно; / - опорная частота ШИМ; Ь, и С, - индуктивность снабберной и емкость демпфирующей цепи соответственно.

Индуктивность Ь, и емкость С, рассчитаем из выражений [6]:

L.. =

_Ud

Us

k

di dt

I

k.max

t

Cs « I

k.max •

on 'off

2 • U,

k

Подставив (8) в (7), получим соотношение для расчета мощности динамических потерь МАИН для рассматриваемого случая:

Pd

n • f •Uk • I

k k.max

24

(ton + 2 • toff ).

Подставив выражения (6) и (9) в (5), найдем выражение для расчета КПД многоуровневого инвертора, реализованного на ЮБТ-транзисторах:

U.

П = 1 --

CE

M n • f тт

--+ —J— • U-

h • п 24

k •1 k.r

Ud • Id

Примем следующие допущения:

I

k.max

= In

Id

2 •jl • In

Uk = Ud / h;

IP

VD

0

Подставляя (11) и (12), в (10) получим:

nf) = 1 -

UCE  n •M + п • n • f Ud  (ton + 2toff ) п 24 h

2^20

d

Сравнивая соотношения (13) и (1) между собой и учитывая зависимости (2), получим из (13) соотношения для расчета относительных значений статических (Ру = Р, /Р) и динамических (р = Р^ /Р) потерь мощности:

Pv =

Pk

_ UcE - n-M

2 • V2 • Ud'

П- n-f-

24 • h • 2л[2

Проведем анализ зависимостей (13) и (14) для КПД, статических потерь мощности Pv, динамических потерь мощности Pk от: опорной частоты ШИМ (f), количества уровней выходного напряжения и величины входного напряжения Ud инвертора.

На рис. 3 показана рассчитанная из (13) зависимость КПД инвертора от частоты, для следующих численных значений параметров инвертора: Ud = 360 В, UCE = 3,2 В , n = 2 , fnes = 1000...36000 Гц , h = 3, ton = 10-6 с, toff = 6,5 • 10-7 c, M = 0,95. Как видно из рис. 4, при изменении опорной частоты ШИМ от 1 до

(lon + 2 f +1P

VD

Ud• Id

Преобразуем (10) к виду, позволяющему выполнить анализ зависимостей КПД от опорной частоты ШИМ (/), количества уровней (И) и напряжения на входе инвертора (и^). Для этого выразим средний ток транзистора 1С через максимальный ток нагрузки

1 п.тах в виде:

2 21 2 г1 n

-• i

тг J

•sin(wt -ф )dt =

2 • n

•(1 + Cosф) ф=о =-

In

Рис. 3. Зависимость КПД от опорной частоты

п

c

X

П

I

c

I

n.max

П

Рис. 4. Зависимость потерь в инверторе от изменения частоты

36 кГц наблюдается незначительное снижение КПД (в итоге результата роста динамических потерь в силовых приборах и при небольшом уменьшении статических потерь согласно рис. 4 за счет уменьшения коэффициента модуляции).

На рис. 5 представлены зависимости относительных потерь (Ру(к) — Ря /Р, Р^(к) — Р^ /Р) в четырехуровневом МАИН от количества формируемых уровней к при неизменной опорной частоте (/ — 36000 Гц) и входном напряжении (и а — 360 В), которые рассчитаны из (14) (с теми же значениями параметров инвертора).

Из рис. 5 видно, что при увеличении числа уровней выходного напряжения МАИН, наблюдается снижение динамических потерь, а статические потери оста-

ются неизменными. Это объясняется тем, что в контуре тока нагрузки при формировании разных потенциальных уровней выходного напряжения количество силовых ключей не изменяется. Уменьшение динамических потерь Ра (рис. 5) связано с уменьшением значений коммутируемых напряжений на силовых приборах при увеличении количества уровней (ик —и а/ к), что также является причиной некоторого увеличения КПД (рис. 6).

На рис. 7 и рис. 8 приведены зависимости потерь мощности, КПД многоуровневого инвертора от значе-

а.9Р8 аж

а. 994

ат

а. 99

А

/ / / /

/ / / /

>

5 6 Ь, контр.

Рис. 6. Зависимость КПД от количества уровней выходного напряжения

Рис. 5. Зависимость потерь от количества уровней выходного напряжения

Рис. 7. Зависимость потерь в инверторе от изменения входного напряжения

0.998

0.982 -^

0 1200 300 400 500 600 TOO 800 900 [ООО ^

Ud,B

Рис. 8. Зависимость КПД от входного напряжения

ния входного напряжения (и а) при фиксированных значениях частоты (/ — 36 кГц) и количества уровней (к — 3). Как видно из рис. 7, с увеличением входного напряжения инвертора относительное значение статических потерь мощности уменьшается (при этом абсолютное значение статических потерь мощности с принятыми допущениями не изменяется), что и является причиной возрастания КПД исследуемого инвертора (рис. 8).

Выводы

1. Установлена возможность создания многоуровневого АИН с одноуровневым источником питания. Выявлено, что с увеличением количества уровней (к — 3,4), формируемого выходного напряжения за-

метно увеличивается КПД преобразования. Большее количество уровней можно считать нецелесообразным, так как КПД далее растет незначительно, но при этом существенно возрастает количество силовых приборов и увеличиваются соответственно массогабарит-ные показатели инвертора.

2. КПД многоуровневого инвертора с увеличением частоты преобразования уменьшается незначительно. При этом до частот, равных 45 кГц, можно считать, что частотный диапазон МАИН определяется частотными свойствами используемых силовых приборов.

3. Анализ зависимости КПД многоуровневого АИН от значения питающего напряжения свидетельствует о целесообразности использования МАИН при входных напряжениях более 400 В. Максимальные значения входных напряжений ограничиваются параметрами используемых силовых приборов и количеством уровней формируемого напряжения.

Перечень ссылок

1. Руденко В. С., Гончаров Ю. П., Будьонний О. В., Морозов В. Г. Перетворювальна техшка: Пщруч-ник, Ч2, Вид-во - Харюв: Фолю, 2000 - 360 с.

2. Зиновьев ГС. Основы силовой электроники: Уч. пособие. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - 664 с.

3. Асанов А. З., Романовский Э. А. Плавное регулирование уровня сигнала в многоуровневых инверторах напряжения // Электротехника. - 2000 -№ 12. - С. 21-26.

4. Никитин В. М. Управление значением выходного напряжения трехфазного инвертора // Электротехника. - 1996 - № 4 - С. 34-40.

5. Переверзев А. В., Кузнецов Д. А. Многоуровневый инвертор напряжения: патент № 18870, 2006.

6. Семенов В. В. Основы автономных преобразователей: Уч. пособие. - Запорожье: ЗГИА, 2005. - 40 с.

Поступила в редакцию 08.10.07 г.

После доработки 30.11.07 г.

Запропоноване схемне рiшення автономного багатор'вневого iHeepmopa напруги. Визначеш ро-боча область вхiдних напруг i робочих частот iнвертора, отримано спiввiдношення для розра-хунку його втрат та ККД. Наданi рекомендацп до вибору робочих частот i кmькостi рiвней квантування вихiдно'í напруги iнвертора.

The circuit of the multilevel independent inverter of voltage is offered. The working area of input voltage and working frequencies of the inverter are determined; parities for calculation of it's losses and efficiency are received. Change of efficiency from input voltage size is investigated and recommendations are given as to the choice of working frequencies and level numbers of target voltage quantization.