МНОГОУРОВНЕВЫЙ МОСТОВОЙ АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ
MULTILEVEL BRIDGE AUTONOMOUS VOLTAGE INVERTER

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в области преобразовательной техники для регулирования напряжения и (или) частоты в автономных инверторах напряжений (далее АИН) и преобразователях частоты (далее ПЧ).
Многоуровневые АИН (далее МАИН) применяются для получения многоступенчатой кривой выходного переменного напряжения, максимально приближенной по форме к синусоиде. Это обеспечивает низкий уровень искажений и потерь мощности в сети и высокое качество напряжения, подводимого к нагрузке. Кроме того, при ограниченных возможностях по напряжению силовых полупроводниковых ключей типов IGBT, IGCT и др., МАИН позволяют создавать высоковольтные АИН и ПЧ (на напряжения 6,10 кВ и выше).
Известен трехфазный МАИН и его варианты (патент US 60317338 с приоритетом от 29.02.2000 г.). За аналог принят 4-уровневый мостовой АИН, содержащий звено постоянного тока, состоящее из трансформатора, выпрямителя и последовательно соединенных конденсаторов, мостовой инвертор напряжения с 3-мя вентильными секциями, каждая из которых содержит по 6 транзисторных ключей с блокирующими диодами и защитными обратными диодами для каждого ключа. Фазные выводы МАИН подключены к электродвигателю.
При разгоне электродвигателя необходимая энергия поступает из МАИН в электродвигатель. В установившемся режиме работы и при торможениях электродвигателя часть энергии электродвигателя сбрасывается (рекуперируется) в конденсаторы.
Недостатками такого устройства являются повышенные потери мощности ΔР и низкий кпд в режиме сброса энергии нагрузки, а также при закорачивании фаз электродвигателя ключами МАИН во время паузы при ШИМ-регулировании. Это обусловлено последовательным соединением обратных диодов в вентильных секциях:
где в зависимости от режима работы ток нагрузки может протекать по соединенным последовательно от 3 до 6 обратным диодам (3 - во время паузы и 6 - при отключении всех ключей инвертора),
ΔU - падение напряжения на одном диоде,
I - ток нагрузки.
В системах с большим количеством уровней и ключей потери мощности еще выше и проблема их снижения в обратных диодах становится весьма актуальной.
1
4
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является МАИН в составе ПЧ (Донской Н.В., Иванов А.Г., Матисон В.А., Ушаков И.И. «Многоуровневые автономные инверторы для электропривода и электроэнергетики», журнал «Силовая электроника», №1, 2008 г., стр.4-7), взятый за прототип, содержащий звено постоянного тока 1 с силовым трансформатором 2, блоком выпрямителей 3 и последовательно соединенных конденсаторов 4-8, вентильные секции 9-11 с 2-мя плечами, каждое из которых содержит соответственно по 5 последовательно соединенных транзисторных ключей 30-34 и 35-39, соединенных с обратными диодами 12-21 и с попарно последовательно соединенными между собой блокирующими диодами 22-29, общие точки которых O-O соединены с соответствующими общими точками конденсаторов 4-8, причем общие точки обоих плеч транзисторных ключей 30-39 в каждой вентильной секции 9-11 образуют фазные зажимы инвертора А, В, С, соединенные с нагрузкой (электродвигателем) 40.
На фиг.1 представлена принципиальная схема прототипа, на фиг.2 - временная диаграмма работы устройства с шестью уровнями (n=6) линейного напряжения.
Недостатками прототипа, также как и у аналога, являются низкий кпд и повышенные потери мощности ΔР в обратных диодах, обусловленные последовательным соединением 5-ти обратных диодов. В зависимости от режима работы МАИН протекание тока нагрузки возможно по цепи, в которой от 5 до 10 диодов (5 - в паузу при ШИМ-регулировании и 10 - при отключении всех ключей). Аналогично (1) имеем:
При большем количестве уровней напряжения МАИН и транзисторных ключей эти потери пропорционально возрастают:
где m - число транзисторных ключей в одном плече вентильной секции, m=n-1.
Технический результат предлагаемого изобретения - сокращение потерь мощности и увеличение кпд устройства.
Технический результат достигается тем, что в многоуровневом мостовом автономном инверторе напряжения, содержащем звено постоянного тока, состоящее из многообмоточного силового трансформатора, блока выпрямителей и последовательно соединенных конденсаторов; вентильные секции инвертора с 2-мя плечами, каждое из которых содержит m последовательно соединенных ключей, соединенных с обратными диодами, и попарно последовательно соединенные между собой блокирующие диоды, общие точки которых соединены с соответствующими общими точками конденсаторов, при этом общие точки обоих плеч ключей в каждой вентильной секции инвертора образуют фазные зажимы инвертора, в вентильных секциях инвертора обратные диоды соединены в две группы, в которых каждый обратный диод одним электродом подключен к соответствующему ключу, а их вторые электроды соответственно соединены между собой и подключены к выходным зажимам звена постоянного тока. Обратные диоды, подключенные к фазным зажимам инвертора, выполнены на полный ток инвертора, а остальные - на ток в Lн/Lk раз меньше,
где Lн и Lk - соответствующие индуктивности в цепях нагрузки инвертора и блокирующих диодов.
Сущностью предлагаемого изобретения является то, что за счет новой схемы группового подключения обратных диодов к ключам и звену постоянного тока в инверторе снижаются потери мощности и повышается кпд устройства. Спадающий ток двигателя при сбросе энергии нагрузки протекает только через один обратный диод, подключенный к фазным зажимам инвертора. По остальным обратным диодам вентильной секции инвертора протекает только спадающий ток нагрузки, обусловленный ЭДС самоиндукции индуктивных элементов звена постоянного тока (монтажные и др. индуктивности схемы между звеном постоянного тока и вентильными секциями инвертора). При этом длительность спада тока пропорциональна его величине и индуктивности цепи. В результате длительность и среднее значение указанного тока в несколько раз меньше аналогичных величин при сбросе энергии нагрузки.
На фиг.3 приведена принципиальная схема предлагаемого устройства, на фиг.4 - временная диаграмма работы устройства с шестью уровнями (n=6) линейного напряжения, где
1
4
1 - звено постоянного тока с выходными зажимами +Ud, -Ud, O-O,
2 - многообмоточный силовой трансформатор,
3 - блок выпрямителей,
4-8 - конденсаторы,
9-11 - вентильные секции инвертора,
12-21 - обратные (защитные) диоды в каждой секции,
22-29 - блокирующие диоды в каждой секции,
30-39 - ключи в каждой секции, например транзисторные,
40 - нагрузка, например электродвигатель,
1
4
O-O - общие точки конденсаторов,
А, В, С - выходные зажимы инвертора,
d
U - наибольшее выходное напряжение звена постоянного тока,
o
U - напряжение на одном из конденсаторов 4-8.
Количество уровней напряжения МАИН может быть выше указанного на фиг.3. Связь между количеством уровней n и числом ключей в плече вентильной секции m определяется:
Количество конденсаторов в звене постоянного тока равно количеству ключей в одном плече вентильной секции.
Предлагаемый многоуровневый мостовой автономный инвертор напряжения содержит звено постоянного тока 1 с силовым трансформатором 2, блоком выпрямителей 3 и последовательно соединенными конденсаторами 4-8, вентильные секции инвертора 9-11 с двумя плечами, содержащими m ключей. Плечи состоят из двух групп обратных диодов 12-15 и 17-21; попарно последовательно соединенных между собой блокирующих диодов 22-29, общие точки которых подключены к соответствующим конденсаторам 4-8; ключей 30-34 и 35-39. Общие точки обоих плеч ключей 30-39 в вентильных секциях инвертора 9-11 образуют фазные зажимы инвертора А, В, С. Обратные диоды соединены в две группы 12-16 и 17-21, каждый из обратных диодов одним электродом подключен к соответствующим ключам 30-34 и 35-39, а их вторые электроды соответственно соединены между собой и подключены к соответствующим выходным зажимам +Ud, -Ud звена постоянного тока 1. Обратные диоды 16 и 17, подключенные к фазным зажимам инвертора A, B, C, выполнены на полный ток инвертора, а остальные - на ток в Lн/Lк раз меньше. К зажимам А, В, С подключается электродвигатель 40.
Устройство работает следующим образом.
AB
МАИН на зажимах A, B, C генерирует три регулируемых по величине и частоте линейных напряжения, диаграмма одного из которых приведена на фиг.4. Частота и напряжение определяют скорость и ток нагрузки электродвигателя 40. Ступени линейного напряжения, например положительная полуволна U, образуется следующим образом:
1-я ступень линейного напряжения - при включении в каждой вентильной секции 9-11 цепочек ключей 30, 31, 32, 33, 34 (или 35, 36, 37, 38, 39), через которые осуществляется закорачивание трех фаз электродвигателя 40.
2-я ступень линейного напряжения - при протекании тока через блокирующий диод 25 и ключ 34 в вентильной секции 9 и включенную цепочку ключей 35-39 в вентильной секции 10. Источником питания 2-й ступени является конденсатор 8 с напряжением
0
d
d
U=U/m=U/5.
0
3-я ступень линейного напряжения - при протекании тока через блокирующий диод 24 и цепочку ключей 33, 34 в вентильной секции 9 и цепочку ключей 35-39 в вентильной секции 10. Источник напряжения 3-й ступени - конденсаторы 7 и 8 с общим напряжением 2U.
0
4-я ступень линейного напряжения - при протекании тока через блокирующий диод 23 и цепочку ключей 32, 33, 34 в вентильной секции 9 и цепочку ключей 35-39 в вентильной секции 10. Источник напряжения 4-й ступени - конденсаторы 6, 7, 8 с общим напряжением 3U.
0
5-я ступень линейного напряжения - при протекании тока через блокирующий диод 22 и цепочку ключей 31, 32, 33, 34 в вентильной секции 9 и цепочку ключей 35-39 в вентильной секции 10. Источник напряжения 5-й ступени - конденсаторы 5, 6, 7, 8 с общим напряжением 4U.
6-я ступень линейного напряжения - при включении цепочки транзисторных ключей 30-34 в вентильной секции 9 и цепочки ключей 35-39 в вентильной секции 10. Источником напряжения 6-й ступени является полное напряжение звена постоянного тока, к которому подключены все конденсаторы 4-8, т.е.
0
0
mU=5U=Ud
При этом в паузах при ШИМ-регулировании на 1-й ступени (фиг.4) через диод 16 и проводящие (открытые), например, в секции 10, ключи 30-34 замыкается спадающий ток нагрузки 40. В то же время, при выключении всех ключей, спад тока, потребляемого из звена постоянного тока 1, осуществляется через соответствующие блокирующие 22-29 и обратные диоды 12-21 и конденсаторы 4-8.
Аналогично МАИН работает на отрицательных полуволнах линейного напряжения на фиг.4.
В этом случае в паузах при ШИМ-регулировании на 1-й ступени вместо диода 16 проводящим является диод 17, а вместо ключей 30-34 в секции 10 включены транзисторные ключи 35-39.
В предложенном устройстве ток при сбросе энергии нагрузки 40 (а также в паузу при ШИМ-регулировании) не замыкается через цепочку последовательно соединенных обратных диодов, как это происходит в прототипе, а протекает только через один обратный диод в вентильной секции инвертора.
Принципиальной особенностью предлагаемого устройства является то, что в каждой вентильной секции инвертора 9-11 обратные диоды 12-16 и 17-21 соединены не последовательно, как в прототипе, а объединены в две группы с двумя общими точками, одна из которых подключена к «+Ud», а вторая к «-Ud» - зажимам звена постоянного тока 1. В результате в вентильной секции инвертора ток нагрузки 40 протекает при его снижении через обратные диоды 16 или 17 (сброс энергии нагрузки).
При сбросе энергии, накопленной индуктивными элементами звена постоянного тока 1 (монтажные и др. индуктивности схемы между узлами 1 и 9-11), что имеет место при снижении потребляемого тока, ток протекает через проводящую в данный момент пару диодов, например 24 и 14 либо 27 и 19.
Аналогичный процесс имеем и в паузу при ШИМ-регулировании, как было описано выше.
В данном устройстве, при запирании всех транзисторных ключей инвертора и спаде тока нагрузки, например, через обратные диоды 16 секции 9 и 17 секции 10 максимальные потери мощности в обратных диодах составляют:
Из сравнения (3) и (5) следует, что в предлагаемом устройстве максимальные потери мощности в обратных диодах каждой секции, подключенных к фазам МАИН, по сравнению с прототипом снижаются в m раз. Кроме того, учитывая, что время спада тока на встречное напряжение Ud пропорционально индуктивности контура тока, имеем нагрузку диодов 12-15 и 18-21 средним током в Lн/Lk раз меньше, чем диодов 16 и 17, подключенных к фазам А, В, С, где
Lн - индуктивность цепи нагрузки,
Lk - индуктивность цепей блокирующих диодов.
Использование заявляемого устройства в мостовых многоуровневых преобразователях силовой электроники позволит сократить потери мощности и тем самым повысить кпд.