ТРЕХФАЗНЫЙ Z-ИНВЕРТОР
THREE PHASE Z-INVERTER

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах регулируемого электропривода переменного тока и в системах вторичного и автономного электроснабжения.
Известен трехфазный Z-инвертор, содержащий трехфазный инвертор напряжения с ШИМ и импедансное звено на входе (Fang Zheng Peng. Z-source inverter. IEEE transactions on industry applications, vol. 39, no. 2, march/april 2003, pp. 504-510). Инвертор напряжения содержит три однофазных полумоста на полностью управляемых ключах. К каждому из полумостов подключена фаза трехфазной нагрузки. Инвертор имеет восемь состояний, которые обусловлены комбинациями ключей инвертора. Выходные фазные напряжения формируются по закону ШИМ и имеют ступенчатую квазисинусоидальную форму, ступени которой состоят из высокочастотных импульсов, модулированных по длительности. Импедансное звено представляет собой два LC-контура, подключаемых к источнику питания с помощью входного диода, данное импедансное звено и используется для накопления энергии за период дополнительного состояния инвертора (состояние короткого замыкания всех ключей плеча инвертора или всех ключей инвертора). Это обеспечивает повышение напряжения на входе указанного инвертора и соответственно повышение выходных фазных и линейных напряжений. В течение периода состояния короткого замыкания энергия от источника постоянного напряжения накапливается в LC-контурах, а при переключении в одно из рабочих состояний инвертора сбрасывается в нагрузку.
Недостатком Z-инвертора является прерывистый входной ток, потребляемый от источника питания.
Наиболее близким решением к заявленному изобретению (прототипом) является Z-инвертор, который содержит импедансное звено, обеспечивающее непрерывный входной ток (Dmitri Vinnikov, Indrek Roasto. Quasi-Z-Source-Based Isolated DC/DC Converters for Distributed Power Generation. IEEE transactions on industrial electronics, vol. 58, no. 1, January 2011, pp. 192-201). К положительному выходу источника питания постоянного напряжения подключена индуктивность, к выходу индуктивности подключен диод, пропускающий ток в направлении от источника питания к инвертору, к выходу диода подключена вторая индуктивность, к выходу которой подключена положительная шина трехфазного инвертора напряжения, состоящего из трех полумостов, представляющих собой последовательное соединение двух силовых транзисторов со встречно-параллельными диодами, отрицательная шина инвертора подключена к отрицательному выходу источника питания. Параллельно диоду и индуктивности подключен конденсатор. Положительный полюс конденсатора подключен к выходу первой индуктивности и входу диода, а отрицательный - к выходу второй индуктивности и входу инвертора напряжения. Второй конденсатор подключен положительным полюсом к выходу диода и входу индуктивности, а отрицательным - к отрицательному выходу источника питания и отрицательной шине инвертора напряжения. Благодаря описанной конфигурации импедансного звена ток от входного источника не прерывается в режиме короткого замыкания и остается непрерывным на всем периоде коммутации.
Недостатком упомянутого Z-инвертора является нарастание напряжения звена постоянного тока, а следовательно, и выходного напряжения, в режиме холостого хода, ограниченное только внутренними параметрами схемы.
Технический результат предлагаемого изобретения - обеспечение работы Z-инвертора в режиме холостого хода без нарастания напряжения звена постоянного тока и выходного напряжения выше номинального значения.
Технический результат достигается тем, что в известной схеме Z-инвертора, включающей трехфазный мостовой инвертор напряжения с ШИМ и входное повышающее импедансное звено, которое содержит первую индуктивность, подключенную одним концом к положительному полюсу источника питания постоянного напряжения, а вторым концом - к аноду диода, вторую индуктивность, подключенную одним концом к катоду диода, а вторым концом - к положительной шине трехфазного мостового инвертора напряжения, отрицательная шина которого подключена к отрицательному полюсу источника питания, первый конденсатор, подключенный положительным полюсом к аноду диода, а отрицательным - к второму концу второй индуктивности, и второй конденсатор, подключенный положительным полюсом к катоду диода, а отрицательным - к отрицательному полюсу источника питания и отрицательной шине инвертора напряжения, введены третий конденсатор, включенный параллельно входному источнику питания, а также силовой транзистор, включенный встречно-параллельно диоду, и третья индуктивность, подключенная одним концом к аноду диода, а другим - к эмиттеру транзистора.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого трехфазного Z-инвертора; на фиг. 2 представлены схемы замещения предлагаемого Z-инвертора в состоянии короткого замыкания (а), в рабочих состояниях (б), в рабочих состояниях при нарастании напряжения звена постоянного тока (в); на фиг. 3 изображены временные диаграммы выходной мощности, напряжения звена постоянного тока и выходного линейного напряжения прототипа Z-инвертора при сбросе нагрузки; на фиг. 4 изображены временные диаграммы выходной мощности, напряжения звена постоянного тока и выходного линейного напряжения предлагаемого Z-инвертора при сбросе нагрузки; на фиг. 5 представлены временные диаграммы, поясняющие алгоритм формирования сигналов управления встречно-параллельным транзистором импедансного звена предлагаемого Z-инвертора.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит трехфазный мостовой инвертор напряжения с ШИМ, состоящий из трех полумостов, представляющих собой последовательное соединение двух силовых транзисторов со встречно-параллельными диодами (силовые транзисторы со встречно-параллельными диодами представляют собой единые силовые модули, обозначенные на фиг. 1 как 1-6), и повышающее импедансное звено в звене постоянного тока инвертора, которое представляет собой индуктивность 7, подключенную одним концом к положительному выходу источника питания постоянного напряжения, ко второму концу которой подключен анод диода 8, индуктивность 9, подключенную одним концом к катоду диода 8, ко второму концу которой подключена положительная шина трехфазного инвертора напряжения, отрицательная шина которого подключена к отрицательному выходу источника питания, конденсатор 10, подключенный положительным полюсом ко второму концу индуктивности 7 и аноду диода 8, а отрицательным - ко второму концу индуктивности 9 и к положительной шине инвертора напряжения, конденсатор 11, подключенный положительным полюсом к катоду диода 8 и первому концу индуктивности 9, а отрицательным - к отрицательному выходу источника питания и отрицательной шине инвертора напряжения, конденсатор 12, подключенный параллельно входному источнику питания, силовой транзистор 13, подключенный встречно-параллельно диоду 8, и индуктивность 14, подключенную одним концом к аноду диода 8, а вторым - к эмиттеру транзистора 13. Трехфазная нагрузка 15, соединенная звездой без нулевого провода, подключена к трем полумостам инвертора напряжения. Первая фаза нагрузки подключена к общей точке силовых модулей 1 и 2, вторая - к общей точке силовых модулей 3 и 4, третья - к общей точке силовых модулей 5 и 6.
Устройство работает следующим образом. Индуктивность 7 и конденсатор 10 (см. фиг. 1), образующие первый LC-контур, который в режиме короткого замыкания (при котором открыты силовые ключи 1-6, инвертора напряжения) подключен к источнику питания. Индуктивность 9 и конденсатор 11 образуют второй LC-контур, который подключен к инвертору. Оба LC-контура используются для накопления энергии в состоянии короткого замыкания инвертора напряжения, при котором диод 8 и транзистор 13 закрыты. В рабочих режимах инвертора, когда нагрузка 15 подключена к импедансному звену, к входу инвертора прикладывается сумма напряжений конденсатора 10 и конденсатора 11. Работа устройства в установившемся режиме поясняется с помощью схем замещения предлагаемого устройства, изображенных на фиг. 2, где:
Ed - напряжение входного источника питания;
iC1 - ток через конденсатор 12;
iC2 - ток через конденсатор 10;
iC3 - ток через конденсатор 11;
iL1 - ток в индуктивности 7;
iL2 - ток в индуктивности 9;
iL3 - ток в индуктивности 14;
iINV - входной ток инвертора напряжения.
C10
C11
C11
C10
В установившемся режиме конденсатор 12 заряжен до напряжения источника питания, а конденсаторы 10 и 11 заряжены таким образом, что сумма их напряжений соответствует требуемому напряжению в звене постоянного тока. Причем, напряжение на конденсаторе 10 равно U=Ed((B-1)/2), а напряжение на конденсаторе 11 равно U=Ed((B+1)/2), где Ed - напряжение источника питания, В - коэффициент повышения. В режиме короткого замыкания (фиг. 2а) инвертор напряжения представляет собой закоротку, нагрузка 15 не потребляет энергию. Диод 8 закрыт под действием приложенного к нему обратного напряжения, т.к. U>U. В индуктивности 7 накапливается энергия под действием тока от источника питания, в индуктивности 9 накапливается энергия от конденсатора 11, конденсатор 10 разряжается под действием напряжения источника питания, приложенного к конденсатору в обратном направлении.
L7
C11
L7
В рабочем режиме (фиг. 2б) инвертор напряжения находится в одном из рабочих состояний, когда нагрузка 15 подключена к звену постоянного тока, и может быть представлен как источник тока. Диод 8 открыт, поскольку к катоду приложена сумма напряжений источника питания и индуктивности 7: Ed+(-U)>U, где U - напряжение индуктивности 7. Сумма напряжений конденсаторов 10 и 11 имеет место на входе инвертора напряжения. ЭДС индуктивностей 7 и 9 меняет знак и прикладывается к конденсаторам 10 и 11. Накопленная в индуктивностях 7 и 9 энергия потребляется нагрузкой 15. Конденсаторы 10 и 11 заряжаются.
В режиме холостого хода в рабочих состояниях инвертора напряжения энергия, накопленная в индуктивностях 7 и 9, не потребляется нагрузкой. Это приводит к нарастанию значения напряжения на индуктивностях 7 и 9 в рабочем режиме, что, в свою очередь, приводит к постоянному нарастанию напряжения на конденсаторах 10 и 11 после каждого периода короткого замыкания, когда ЭДС индуктивностей 7 и 9 меняет знак и прикладывается к конденсаторам 11 и 10 соответственно. Постоянное нарастание напряжения на конденсаторах 10 и 11 приводит к нарастанию напряжения звена постоянного тока инвертора и, как следствие, выходного напряжения инвертора, как показано на фиг. 3, где:
Рвых - выходная мощность;
Рном - номинальная мощность;
Udc - напряжение в звене постоянного тока;
Uab - выходное линейное напряжение инвертора;
Ed - напряжение входного источника питания;
В - коэффициент повышения напряжения;
t - время.
В предлагаемом устройстве в режиме холостого хода (фиг. 2в) или при всплеске напряжения в звене постоянного тока инвертора, вызванном недоиспользованием накопленной энергии, напряжения на конденсаторах 10 и 11 могут быть ограничены за счет дополнительного контура протекания тока. При превышении суммы напряжений конденсатора 12 и индуктивности 7 суммой напряжений конденсаторов 10 и 11 ток протекает через транзистор 13, обозначенный на фиг. 2в диодом, через индуктивность 14 и индуктивность 7 в конденсатор 12. Индуктивность 14 необходима для ограничения тока конденсаторов 10 и 11, которые включаются в последовательную цепь при протекании тока через транзистор 13, пока ток через индуктивность 7 не поменяет знак. Таким образом, среднее значение напряжений на конденсаторах 10 и 11 снижается до уровня, необходимого, чтобы сумма этих напряжений в звене постоянного тока инвертора была равна напряжению источника питания, умноженному на коэффициент повышения (B·Ed), как показано на фиг. 4.
Импульсы управления y1 силовым транзистором 13 формируются путем инверсии импульсов формирования состояния короткого замыкания, что проиллюстрировано на фиг. 5, где:
Ucar - опорное напряжение;
Ur1 - сигнал задания импульсов короткого замыкания для анодных силовых ключей инвертора;
Ur2 - сигнал задания импульсов короткого замыкания для катодных силовых ключей инвертора;
у0 - импульсы формирования состояний короткого замыкания;
y1 - импульсы управления транзистором 13.
Импульсы формирования состояний короткого замыкания (у0) формируются путем сравнения сигналов задания для анодной (Ur1) и катодной (Ur2) групп силовых ключей инвертора напряжения с опорным сигналом (Ucar) с помощью компаратора. Импульсы управления транзистором 13 (y1) формируются путем инверсии импульсов короткого замыкания анодной и катодной групп ключей инвертора и суммируются. Таким образом, транзистор 13 открыт в рабочих состояниях инвертора напряжения, когда нагрузка 15 подключена к импедансному звену.
Техническим результатом является то, что предложенная схема позволяет обеспечивать повышение выходного напряжения инвертора до требуемой величины и обеспечивает работу в режиме холостого хода без превышения напряжения звена постоянного тока выше значения B·Ed, как показано на фиг. 4, в отличие от прототипа, в звене постоянного тока которого происходит неконтролируемое нарастание напряжения, как показано на фиг. 3.