Z-ИНВЕРТОР С НУЛЕВОЙ ТОЧКОЙ

Полезная модель относится к области электротехники и силовой электроники, может быть использована при построении систем генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока с нулевой точкой.
Известен Z-Инвертор (P.Z.Peng, "Z-Source Inverter", IEEE Trans. Industry Applications, vol.39, pp.504-510, March-April 2003), который может формировать трехфазное переменное напряжение. Однако данный преобразователь имеет ограниченные функциональные возможности, так как он не может работать на холостом ходу из-за неограниченного роста напряжения на конденсаторах в звене постоянного тока, а также схема принципиально не позволяет его использовать в системах электропитания с нулевой точкой.
Известен также высокоэффективный Z-Инвертор (Ding Xinping, Qian Zhaoming, Yang Shuitao, Cui Bin, Peng F.Z., "A High-Performance Z-Source Inverter Operating with Small Inductor at Wide-Range Load" APEC 2007, pp.615-620, Feb.25 2007 - March 1), который благодаря транзистору в звене постоянного тока может работать на холостом ходу. Но он тоже имеет ограничение по функциональным возможностям, так как данный преобразователь не может использоваться в системах электропитания с нулевой точкой.
Кроме того, известен Z-Инвертор дня применения в четырехпроводных системах электропитания (Хлебников А.С. Моделирование работы Z-преобразователя в составе авиационной системы электроснабжения. / А.С.Хлебников, С.А.Харитонов // Материалы IX международной конференции Актуальные Проблемы Электронного Приборостроения АПЭП-2008. Том 7. Новосибирск - 2008, С.39-42), взятый на прототип, содержащий три транзисторные стойки, Z-фильтр, диод, включенный последовательно с источником напряжения; выходной низкочастотный фильтр и систему управления.
В данной схеме для создания искусственной нулевой точки используется конденсаторный делитель в звене постоянного тока. Однако такой способ создания нулевой точки требует наличия в звене постоянного тока дополнительного транзистора, пропускающего через себя полную мощность, что снижает эффективность и надежность, а также увеличивает стоимость схемы.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание схемы Z-инвертора, не требующей дополнительного транзистора в звене постоянного тока и способной применяться в системах электропитания с нулевой точкой.
Это достигается тем, что в схеме известного Z-Инвертора для применения в четырехпроводных системах электропитания создается искусственная нулевая точка не в звене постоянного тока на входе Z-инвертора, а в Z-фильтре с помощью дросселей и конденсаторов. Искусственная нулевая точка создается в Z-фильтре преобразователя за счет того, что в Z-фильтре каждый конденсатор разделяется на два последовательно соединенных конденсатора, причем к каждой точке последовательного соединения конденсаторов подключается один из выводов двух дополнительных индуктивностей, другие два оставшиеся вывода дополнительных индуктивностей объединяются между собой, формируя искусственную нулевую точку. В результате этого в звене постоянного тока схемы преобразователя исключается дополнительный транзистор, пропускающий через себя полную мощность, что увеличивает эффективность и надежность, а также уменьшает стоимость схемы.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого Z-инвертора с нулевой точкой, на фиг.2 показаны временные диаграммы работы системы управления, на фиг.3 - временные диаграммы напряжений на нагрузке.
Предлагаемый Z-инвертор с нулевой точкой (фиг.1) условно может быть разделен на силовую схему (блок 1) и систему управления (блок 10). Силовая схема содержит три транзисторные стойки (блок 2), Z-фильтр (блок 3), транзистор в звене постоянного тока (блок 8), конденсатор в звене постоянного тока (блок 9), диод (блок 7), включенный последовательно с источником напряжения (блок 6), выходной низкочастотный фильтр (блок 4), нагрузку (блок 5). В Z-фильтре с помощью дросселей и конденсаторов создана искусственная нулевая точка, как показано на фиг.1.
Система управления, реализующая классическую широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) и простой способ управления коэффициентом повышения, содержит три генератора синусоидального напряжения (блок 11, 12, 13), генератор треугольного напряжения (блок 14), генератор постоянного напряжения (блок 15), задающий длительность сквозного включения; компараторы (блок 16, 17, 18, 23), блок 19, вычисляющий модуль числа; блоки 20, 21, 22, 30, реализующие функцию логического «НЕ»; блоки 24, 25, 26, 27, 28, 29, реализующие функцию логического «ИЛИ». Три генератора синусоидального напряжения (блок 11, 12, 13), напряжения которых сдвинуты друг относительно друга на 120 электрических градусов, формируют три низкочастотных модулирующих напряжения, определяющих амплитуды и частоты первой гармоники выходных напряжений. Генератор треугольного напряжения (блок 14) формирует высокочастотное опорное напряжение ШИМ, определяющее частоту переключения транзисторов.
Система управления формирует прямоугольные импульсы, которые подаются на управляющие входы транзисторов силовой схемы (блок 1). Временные диаграммы, поясняющие работу системы управления, показаны на фиг.2.
Предлагаемый Z-Инвертор с нулевой точкой работает следующим образом. Когда моделирующее напряжение превышает опорное напряжение, импульс управления подается на верхний транзистор в фазной стойке блока 2. Соответственно, когда меньше, то импульс управления подается на нижний транзистор в фазной стойке блока 2.
Когда модуль (абсолютное значение) опорного напряжения превышает напряжение, формируемое блоком 15, импульсы управления подаются на все транзисторы блока 2. Так реализуется сквозное включение, длительность которого определяет коэффициент повышения напряжения:
0
где Т - период опорного напряжения, Т - длительность сквозного включения.
Импульс управления на транзистор в звене постоянного тока (блок 8) подается все время, пока не используется сквозное включение.
С помощью выходного низкочастотного фильтра (блок 4), из высокочастотного набора импульсов напряжений на транзисторных стойках блока 2 выделяется первая гармоника напряжения. Так на нагрузке (блок 5) формируется синусоидальное напряжение, показанное на фиг.3. Величина амплитуды первой гармоники напряжения на нагрузке вычисляется по следующей формуле:
где М - глубина модуляции, определяемая отношением амплитуд моделирующего напряжения и опорного напряжения; В - коэффициент повышения напряжения; Е - величина напряжения источника (блок 6).
В случае если не требуется повышения напряжения, Z-инвертор с нулевой точкой работает как инвертор напряжения, без использования сквозного включения.