ОДНОФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и силовой электроники, может быть использована при создании электротехнических систем, например, при создании систем генерирования переменного тока.
Известен однофазный преобразователь напряжения (статья Huafeng Xiao, Shaojun Xie "Leakage Current Analytical Model and Application in Single-Phase Transformerless Photovoltaic Grid-Connected Inverter" - IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, VOL. 52, NO. 4, NOVEMBER 2010, PP. 902-913), содержащий полумостовой однофазный трехуровневый инвертор с фиксирующими диодами, в котором один вывод сети подключают в среднюю точку конденсаторов звена постоянного тока, а второй вывод сети подключают в точку соединения второго и третьего транзисторов, заземление солнечного фотоэлектрического модуля выполняют через разделительно-фильтрующий конденсатор.
В указанном устройстве недостатком является то, что формируемое инвертором напряжение имеет пониженное число уровней, это приводит к снижению качества фазного напряжения и наличию синфазного тока утечки.
Кроме того, известен однофазный преобразователь напряжения (статья Kai Sun, Li Zhang, и др. "A Family of Neutral Point Clamped Full-Bridge Topologies for Transformerless Photovoltaic Grid-Tied Inverters " - Power Electronics, IEEE Transactions on, VOL. 28, NO. 2, FEBRUARY 2013, PP. 730-739), являющийся прототипом предлагаемого изобретения. Он содержит: конденсаторное звено постоянного тока и две транзисторные стойки, каждая из которых имеет последовательно включенные четыре транзистора, в каждой стойке имеется вывод для подключения к сети.
В указанном устройстве недостатком является то, что не подавляется синфазный ток утечки, который приводит к снижению качества формируемого преобразователем выходного напряжения и тока, а так же является причиной выхода из строя, подключенных к преобразователю устройств, и создает угрозу поражения электрическим током обслуживающего персонала.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства однофазного преобразователя напряжения, при котором, подавляется синфазный ток утечки.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве однофазном преобразователе напряжения, которое содержит конденсаторное звено постоянного тока и две транзисторные стойки, каждая из которых имеет последовательно включенные четыре транзистора, в каждой стойке имеется вывод для подключения к сети, конденсаторное звено постоянного тока состоит из четырех конденсаторов соединенных последовательно, которые образуют три общие узла соединения, при этом первый общий узел подключен к входам первого и второго двунаправленного ключа, второй общий узел соединен к входам третьего и четвертого двунаправленного ключа, а третий общий узел соединен к входам пятого и шестого двунаправленного ключа, выводы первого и четвертого двунаправленного ключа соединены с эмиттером первого транзистора первой транзисторной стойки, выводы второго и третьего двунаправленного ключа подключены к эмиттеру первого транзистора второй транзисторной стойки, вывод пятого двунаправленного ключа подключен к эмиттеру третьего транзистора первой транзисторной стойки, вывод шестого двунаправленного ключа подключен к эмиттеру третьего транзистора второй транзисторной стойки.
На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства. На фиг. 2 представлена векторная диаграмма, поясняющая способ работы преобразователя. На фиг. 3 представлены эпюры, поясняющие алгоритм переключения ключей и транзисторов преобразователя.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит сеть синусоидального напряжения - 1, которая через дроссели 2 и 3 подключена к выводам транзисторных стоек 4 и 5. Первая стойка состоит из четырех последовательно соединенных транзисторов 6-9. Вторая стойка так же состоит из четырех последовательно соединенных транзисторов 10-13. В составе каждого транзистора 6-9 и 10-13 находится антипараллельный диод. Эмиттер транзистора 6 подключен к коллектору транзистора 7. Эмиттер транзистора 8 подключен к коллектору транзистора 9. Эмиттер транзистора 10 подключен к коллектору транзистора 11. Эмиттер транзистора 12 подключен к коллектору транзистора 13. К эмиттеру транзистора 7 подключен дроссель 2. К эмиттеру транзистора 11 подключен дроссель 3. Двунаправленные ключи 14 и 15 первыми выводами подключены к эмиттерам транзисторов 6 и 10, а вторыми выводами к точке соединения последовательно включенных конденсаторов 20 и 21. Двунаправленные ключи 16 и 17 первыми выводами подключены к эмиттерам транзисторов 10 и 6 соответственно, а вторыми выводами к точке соединения последовательно включенных конденсаторов 21 и 22. Двунаправленные ключи 18 и 19 первыми выводами подключены к эмиттерам транзисторов 8 и 12 соответственно, а вторыми выводами к точке соединения последовательно включенных конденсаторов 22 и 23. Выводы фотоэлектрического модуля 24 соединены с конденсаторами 20 и 23 соответственно. Фотоэлектрический модуль содержит паразитную емкость 25, которая через линию заземления сети, образует контур протекания синфазного тока утечки. Управляющие входы транзисторов 6-13 и управляющие входы двунаправленных ключей 14-19 подключены к блоку широтно-импульсной модуляции (ШИМ) 26, который в свою очередь подключен к блоку управления 27.
DC
c
c
c
c
Предлагаемое устройство работает следующим образом: солнечный фотоэлектрический модуль 24 генерирует постоянное напряжение U, которое подается на звено постоянного тока, состоящее из четырех конденсаторов 20-23. Однофазный преобразователь напряжения (совокупность транзисторов 6-13 и двунаправленных ключей 14-19) на зажимах 4 и 5 формирует переменное напряжение, под действием которого в сеть 1 генерируется переменный ток, сглаживаемый дросселями 2 и 3. Блок управления 27 вырабатывает сигналы, которые подаются в блок ШИМ 26, который распределяет импульсы по транзисторам и двунаправленным ключам для формирования соответствующего переменного напряжения. Ввиду формирования на зажимах 4 и 5 переменного синфазного напряжения, по контуру образованному линией заземления сети 1 и паразитной емкостью 25 протекает синфазный ток утечки. При этом синфазный ток утечки определяется как I=U2πfC, где U - синфазное напряжение на выводах 4 и 5; С - паразитная емкость 25, f - частота синфазного напряжения (Фиг. 1). При этом синфазное напряжение U определяется известным соотношением
c
Чтобы синфазный ток утечки имел нулевое значение, необходимо чтобы на каждом такте ШИМ синфазное напряжение U оставалось постоянным, т.е. f=0. Это можно обеспечить предлагаемым алгоритмом работы преобразователя. Для пояснения данного алгоритма введем в рассмотрение комбинации состояний ключей (КСК), которые формируются путем подключения потенциалов любого из конденсаторов звена постоянного тока к выводам 4 и 5. Набор КСК, реализующий данный алгоритм, следующий: (С;С), (D;B), (Е;А), (B;D), (А;Е), где первая буква отражает узел соответствующего конденсатора звена постоянного тока (ЗПТ), подключенного к выводу 4, а вторая к выводу 5 (Фиг. 1). При этом узлу «Е» соответствует потенциал Udc, узлу «D» соответствует потенциал , узлу «С» соответствует потенциал , узлу «В» соответствует потенциал , узлу «А» соответствует потенциал 0 (Фиг. 1).
4
5
c
При векторной широтно-импульсной модуляции необходимо формировать задающий вектор V*, который вращается с некоторой угловой скоростью и последовательно проходит секторы I, II, III, IV, V, VI, VII и VIII (Фиг. 2). В каждом секторе задающий вектор V* синтезируется при помощи двух смежных образующих векторов. Видно, что в первом секторе векторной диаграммы для синтеза V* используются КСК вида: (Е;А) и (D;B), которым соответствуют векторы , , во втором секторе (D;B) и (С;С) - векторы , , в третьем секторе (B;D) и (С;С) - векторы , , в четвертом (А;Е) и (B;D) - векторы , . Последовательности КСК в секторах V-VIII повторяют последовательности КСК в секторах IV-I соответственно. На Фиг. 3 представлены последовательность КСК и соответствующие ей номера коммутируемых двунаправленных ключей и транзисторов в стойках, а также уровни напряжений U, U и U, при вышеотмеченных КСК.
Как видно из Фиг. 3, при использовании данных КСК, синфазное напряжение постоянно, т.е. f=0 и, следовательно, синфазный ток равен нулю, что соответствует его подавлению.
Таким образом, предложенный однофазный преобразователь напряжения с применением предложенного алгоритма переключения двунаправленных ключей и транзисторов соответствует требованиям по подавлению тока утечки.
Техническим результатом является создание устройства однофазного преобразователя напряжения, при котором, подавляется синфазный ток утечки.