Универсальный преобразователь постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора напряжения
UNIVERSAL DC VOLTAGE CONVERTER FOR MULTI-LEVEL VOLTAGE INVERTER POWER SUPPLY

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано в источниках и системах вторичного электропитания, при создании многоуровневых инверторов, а также при создании автономных многоуровневых систем обмена электрической энергией постоянного тока.
Известно устройство преобразователя постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора напряжения [1]. Выпрямитель реализуются на базе идентичной инвертору силовой схемы с фиксирующими диодами, позволяющей путем поддержания оптимальных углов управления силовыми ключами регулировать напряжение на емкостном делителе на выходе выпрямителя и обеспечивать его равномерное распределение между конденсаторами.
Недостатками данного устройства являются сложность определения оптимальных углов управления, особенно в зависимости от различных коэффициентов глубины модуляции при широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а также обязательное условие симметричности преобразователя, то есть идентичности параметров силовой схемы выпрямителя и инвертора, обеспечение которой на практике является труднореализуемой и весьма затратной задачей.
Известно также устройство преобразователя постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора напряжения, состоящее из двух независимых источников постоянного напряжения с включенными на их выходе конденсаторами, в котором используются циклические последовательности переключения силовых ключей инвертора, поддерживающие их одинаковую токовую нагрузку, симметричную нагрузку на конденсаторах и малые пульсации напряжения на них [2].
Недостатками данного устройства являются высокая частота коммутации силовых ключей инвертора, что создает большие потери мощности, и необходимость измерения текущих значений тока и напряжения на выходе источников постоянного напряжения, тока и напряжения на выходе инвертора, что усложняет систему управления.
Известно также устройство преобразователя постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора напряжения [3], состоящее из двух импульсных преобразователей напряжения (ИППН). Формирование уровней напряжения в рассматриваемом источнике питания состоит в попеременном создании требуемых уровней напряжения ИППН на их соответствующих выходных конденсаторах. Указанная последовательность работы импульсных преобразователей и коммутатора обеспечивается синхронизировано с последовательностью переключений ключей инвертора системой управления преобразователем. При этом система управления обеспечивает также регулирование и стабилизацию текущего значения уровней.
К недостаткам данного устройства следует отнести избыточную установленную мощность элементов схемы. Так как преобразователи постоянного напряжения работают попеременно, это приводит к токовым паузам в реакторах преобразователей и, как следствие, к их неэффективному использованию.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является преобразователь постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора напряжения [4],основой которого выступает один ИППН с двумя выходами. Регулирование и стабилизация выходного напряжения и тока реактора в преобразователе производится системой управления на основе ШИМ.
Недостатками данного устройства являются повышенное по сравнению с входным выходное напряжение, возможность питания инверторов напряжения, относящихся только к классу с фиксированной нейтральной точкой, а также отсутствие цепей циркуляции реактивной мощности при ее возврате в ИППН от инвертора, питающегося от соответствующего конденсатора. Все это заметно ограничивает функциональные возможности преобразователя постоянного напряжения.
Технической проблемой изобретения является необходимость расширения функциональных возможностей преобразователя постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора напряжения.
Поставленная проблема решается тем, что в универсальном преобразователе постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора напряжения, содержащем подключенный к положительному выводу источника питания реактор, другим выводом подключенный к коллектору транзисторного ключа, эмиттер которого соединен с отрицательным выводом источника питания, и через соответствующие транзисторные ключи соединен с выводами двух конденсаторов, к которым подключены эмиттеры транзисторных ключей и которые образуют соответственно первый и второй положительные выводы универсального преобразователя постоянного напряжения, общий отрицательный вывод которого подключен к одному из конденсаторов и отрицательному выводу источника питания, между положительным выводом источника питания и реактором включен транзисторный ключ, коллектором соединенный с положительным выводом источника питания, а эмиттером подключенный к реактору и эмиттерам двух транзисторных ключей, коллекторами соединенных с первым и вторым положительными выводами универсального преобразователя постоянного напряжения, катод диода подключен к эмиттерам соответствующих транзисторных ключей, а анод соединен с отрицательным выводом источника питания.
Сущность изобретения поясняется чертежами: на Фиг. 1 представлен универсальный преобразователь постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора напряжения, на Фиг. 2 - структурная схема включения универсального преобразователя для питания пятиуровневого инвертора напряжения, на Фиг. 3 - эпюры сигналов в установившемся режиме работы преобразователя при питании пятиуровневого инвертора напряжения.
Универсальный преобразователь постоянного напряжения (УППН) для питания многоуровневого инвертора напряжения содержит подключенный к положительному выводу 1 источника питания реактор 3, другим выводом подключенный к коллектору транзисторного ключа 4, эмиттер которого соединен с отрицательным выводом 2 источника питания, и через соответствующие транзисторные ключи 5 и 6 соединен с выводами двух конденсаторов 7 и 8, которые образуют соответственно первый 9 и второй 10 положительные выводы универсального преобразователя постоянного напряжения, общий отрицательный вывод 11 которого подключен к соответствующим выводам конденсаторов 7 и 8 и отрицательному выводу 2 источника питания, транзисторный ключ 12, эмиттером подключенный к реактору 3 и эмиттерам двух транзисторных ключей 13 и 14, диод 15, катодом подключенный к эмиттерам транзисторных ключей 12-14, а анодом соединенный с отрицательным выводом 11 источника питания.
Регулирование и стабилизация выходных напряжений в преобразователе производится двухканальной системой управления на основе ШИМ.
Устройство в процессе работы пребывает в нескольких состояниях.
В первом состоянии через открытые транзисторные ключи 4 и 12 происходит накопление электромагнитной энергии в ректоре 3. При этом транзисторные ключи 5, 6, 13 и 14 находятся в запертом состоянии, а на конденсаторах 7 и 8 формируются выходные напряжения преобразователя.
При проводящих состояниях транзисторного ключа 5 и диода 15 и выключенных состояниях транзисторных ключей 4, 6, 12, 13 и 14 возникает второе состояние, при котором энергия, запасенная в реакторе 3, передается в конденсатор 7 и на соответствующий выход 9.
Третье состояние, аналогичное предыдущему, отличается заменой ролей транзисторных ключей 5 и 6, при этом энергия ректора 3 передается в конденсатор 8 и на соответствующий выход 10.
Четвертое состояние реализуется при выключенных транзисторных ключах 5 и 6, реактор 3 изолирован от выходных цепей, а энергия, накопленная в нем, консервируется в контуре, образуемом транзистором 4 и диодом 15.
Транзисторные ключи 13 и 14 предназначены для реализации дополнительных контуров стабилизации напряжений на конденсаторах 7 и 8, которые актуальны для двух следующих ситуаций. Первая возникает при возврате реактивной мощности в преобразователь от подключенного к выходу 9 цепей инвертора, что может приводить к неконтролируемому увеличению напряжения. В этом случае возникает цепь: «+» конденсатора 7, открытый транзисторный ключ 13, реактор 3, открытый транзисторный ключ 4, «-» конденсатора 7. Ток в этой цепи является током индуктивности, полярность которого способствует разряду конденсатора 7 и стабилизации напряжении на нем. Вторая возможная ситуация аналогична приведенному описанию и получается заменой транзисторного ключа 13 и конденсатора 7 на транзисторный ключ 14 и конденсатор 8.
Существенно, что в этих состояниях напряжение на ректоре 3 положительно и, следовательно, ток через него в этом состоянии нарастает, то есть происходит накопление энергии в магнитном поле катушки, которая в некоторых состояниях может быть передана в нагрузку.
Таким образом, особенность рассматриваемой схемы заключается в способе восприятия источниками формирования уровней обратного тока ректора, осуществляющего накопление возвращаемой энергии в реакторе и в последующем передачу ее в инвертор в качестве активной мощности.
1
2
В качестве примера рассмотрим использование универсального преобразователя постоянного напряжения для питания пятиуровневого инвертора при работе его на активную нагрузку. На Фиг. 2 представлена структурная схема включения универсального преобразователя, где И и И - однофазные инверторные мосты, реализованные на IGBT-транзисторах, СУ - система управления транзисторными ключами преобразователя и инверторных мостов.
i
t
i
t
i
t
u
t
u
t
u
t
L
1
2
1
2
1
2
На Фиг. 3 показаны эпюры тока () реактора 3, входных токов () и () первого и второго инверторных мостов И и И соответственно, напряжений () и () на конденсаторах 7 и 8 соответственно, напряжения на нагрузке () в установившемся режиме. Моделирование проводилось при входном напряжении, равном 100 В, и выходной частоте 50 Гц. Частота работы транзисторных ключей 4, 5 и 6 составляла 1 кГц, частота работы транзисторного ключа 12-10 кГц.
Таким образом, предлагаемая схема обеспечивает широкий диапазон регулирования выходного напряжения за счет работы транзисторного ключа 12, позволяет минимизировать число инверторных ячеек многоуровневого инвертора за счет поочередного их подключения к соответствующим выходам универсального преобразователя постоянного напряжения, формируя соответствующую требованием потребителя форму кривой выходного напряжения путем ШИМ-регулирования транзисторных ключей 5 и 6. При работе инвертора на активно-индуктивную нагрузку транзисторные ключи 13 и 14 обеспечивают реализацию дополнительных контуров стабилизации выходных напряжений универсального преобразователя. Все это свидетельствует о расширении функциональных возможностей преобразователя постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора напряжения.
Источники информации
1. Zhiguo Pan, Fang Zheng Peng, Keith A. Corzine, Victor R. Stefanovic, John M. Leuthen, Slobodan Gataric. Voltage Balancing Control of Diode-Clamped Multilevel Rectifier/Inverter Systems. IEEE Transactions on of Industry Applications, Vol. 41, No.6, Nov/Dec 2005, pp. 1698-1706.
2. Martina Calais, Vaasilios G. Agelidis, Michael S. Dymond. When to Switch Which Switch in a Five Level Single Phase Cascaded Inverter. In Conference Proceedings of the AUPEC/EECON'99, Darwin, Australia, September 1999.
3. Mirgorodskaya E.E, Mityashin N.P., Kolchev V.A., Tomashevsky Yu.B., Stepanov S.F., Artyukhov D.I. Universal Power Source of Single-phase Multilevel Inverters // 2019 16th Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems, ELMA 2019: proceedings. Varna, Bulgaria, 2019. pp. 337-341.
4. Nami A., Zare F., Ledwich G., Ghosh A., Blaabjerg F. A new configuration for multilevel converters with diode clamped topology. Power Engineering Conference, 2007. IPEC 2007. International 3-6 Dec. 2007. pp. 661-665.