Багаторівневий перетворювач частоти

Багаторівневий перетворювач частоти, що містить в кожній вихідній фазі (2n-1) ізольованих джерел постійної напруги (n=2,3,4..) та 4n напівпровідникових ключів двосторонньої провідності, що містять повністю керований тиристор або транзистор і паралельно включений зворотний діод, при цьому негативний вивід першого джерела з'єднаний з анодом діода ключа, катод якого утворює вхідний вивід фази перетворювача, позитивний вивід першого джерела з'єднаний з катодом ключа, анод якого з'єднаний з негативним виводом другого джерела, позитивний вивід якого аналогічним чином з'єднаний з негативним виводом третього джерела і так далі, позитивний вивід останнього джерела з'єднаний з катодом ключа, анод якого утворює вихідний вивід фази перетворювача, вхідний вивід фази перетворювача з'єднаний з анодом ключа, катод якого з'єднаний з позитивним виводом першого джерела, негативний вивід першого джерела з'єднаний з анодом ключа, катод якого з'єднаний з позитивним виводом другого джерела, негативний вивід другого джерела з'єднаний з анодом ключа, катод якого з'єднаний з позитивним виводом третього джерела і так далі, негативний вивід останнього джерела з'єднаний з анодом ключа, катод якого з'єднаний з вихідним виводом фази перетворювача, пари ключів, що з'єднують джерела між собою, а перше і останнє з вхідними і вихідними виводами фази перетворювача знаходяться у протилежних станах (один за U 2 UA 1 3 15262 4 що містить в кожній вихідній фазі п послідовно творювача, вхідний вивід фази перетворювача з'єднаних однофазних мостових інверторів напруз'єднано з анодом діоду ключа, катод якого з'єднаги, кожний інвертор складається з чотирьох ключів ний з позитивним виводом першого джерела, недвосторонньої провідності, що містять в собі повгативний вивід першого джерела з'єднано з аноністю керований тиристор або транзистор і парадом діоду ключа, катод якого з'єднаний з лельно включений зворотний діод, n ізольованих позитивним виводом другого джерела, негативний джерел постійної напруги, що підключені у діаговивід другого джерела з'єднано з анодом діоду наль постійного струму інверторів негативним виключа, катод якого з'єднаний з позитивним вивоводом до анодів діодів першого і другого ключів, а дом третього джерела і так далі, негативний вивід позитивним виводом до катодів діодів третього і останнього джерела з'єднано з анодом діоду ключетвертого ключів, вільні виводи діагоналі змінного ча, катод якого з'єднаний з вихідним виводом фази струму першого і останнього інверторів утворюють перетворювача, пари ключів, що з'єднують джеревідповідно початок і кінець фази перетворювача ла між собою, а перше і останнє з вхідними і вихічастоти, початки фаз якого з'єднані між собою, дними виводами фази перетворювача знаходятькінці призначені для підключення навантаження, ся у протилежних станах (один замкнений, другий входи керування першого, третього, другого, четвимкнений), входи керування ключів кожної фази вертого ключів інверторів з'єднані з першим, друз'єднані з відповідними виходами формувачів імгим, третім, четвертим виходами відповідних форпульсів, входи формувачів імпульсів першої пари мувачів імпульсів, перший, другій, третій, ключів, що утворюють вхідний вивід фази, з'єднані четвертий входи, яких підключені до однойменних з виходами блока модуляції, перший вхід якого виходів блоків модуляції, перші входи яких з'єднані з'єднаний з виходом генератора трикутної напруги, з відповідними виходами генератора трикутної на якому формується трикутна напруга з частотою напруги, на яких формуються трикутні напруги з модуляції, другий вхід блоку модуляції з'єднаний з частотою модуляції, зсунуті друг відносно друга на виходом блоку віднімання, перший вхід якого з'єднаний з першим виходом блоку дискретизації за кут 2 / n , другі входи блоків модуляції кожної фази рівнем, а другий вхід з входом блоку дискретизації об'єднані і з'єднані з відповідними виходами сисза рівнем і відповідним виходом системи керувантеми керування, на яких формуються синусоїданя електроприводом, на виходах якої формуються льні сигнали заданої амплітуди і частоти, зсув між синусоїдальні сигнали заданої амплітуди і частоти, якими для трифазного перетворювача частоти зсув між якими для трифазного перетворювача складає 2 / 3 . частоти складає 2 / 3 , другий вихід блоку дискреЦей перетворювач має наступні недоліки. тизації за рівнем з'єднаний з входом розподільни1. Велика кількість ключів в силовій схемі відка імпульсів, інформаційні виходи якого з'єднані з носно кількості рівнів вихідної напруги (4n ключів входами відповідних формувачів імпульсів (за вина фазу відносно (2n+1) рівнів напруги). нятком першої пари ключів), вхідні виводи фаз 2. Великі витрати потужності на комутацію у перетворювача частоти з'єднані між собою, вихідні ключах схеми при використанні відомих засобів призначені для підключення навантаження. модуляції, що обумовлює зниження коефіцієнту Перетворювач працює таким чином. корисної дії перетворювача в цілому і ускладнює Синусоїдальна напруга заданої амплітуди і систему охолодження. частоти uЗAД з виходу системи керування електроЦе зумовлює зниження показників схеми, збіприводом надходить на вхід блоку дискретизації льшує габарити і вартість перетворювача, ускладза рівнем, де вона перетворюється відповідно рівнює систему керування і зв'язки низьковольтних ню дискретизації, що дорівнює 1/(2n-1) від амплікіл керування з високовольтними силовими колатуди VЗАДМАХ в сигнал східчастої форми uCT на ми і, як наслідок, зниження показників надійності першому виході блоку дискретизації і послідовелектропривода в цілому. ність імпульсів, що фіксують тривалість кожної Найбільш близьким аналогом до корисної мосходинки uCT, на другому виході блоку. Відповідно делі, що заявляється, є багаторівневий перетвоотриманим імпульсам здійснюється керування рювач частоти [Шавьолкін O.O. "Багаторівневий парами ключів, що з'єднують джерела між собою, перетворювач частоти" Деклараційний патент на а останнє з вихідним виводом фази перетворювакорисну модель №9148 МПК7 Н02Р7/44, Н02М5/00 ча. Це забезпечує формування з напруг другого та від 31.01.2005, опубл. 15.09.2005, Бюл. №9], що наступних джерел сигналу східчастої форми, що містить в кожній вихідній фазі (2n-1) ізольованих відтворює uCT. Різниця між uЗAД і uCT (похибка дисджерел постійної напруги (n=2,3,4,.) та 4n напівпкретизації), відпрацьовується методом широтноровідникових ключів двосторонньої провідності, імпульсної модуляції (ШІМ) з напруги першого що містять в собі повністю керований тиристор джерела при використанні першої пари ключів. У або транзистор і паралельно включений зворотний результаті вихідна напруга фази перетворювача діод, при цьому негативний вивід першого джереформується як сума відповідних напруг. Цей перела з'єднано з анодом діоду ключа, катод якого творювач має наступні недоліки: утворює вхідний вивід фази перетворювача, пози1. Перехід з одного рівня напруги на інший тивний вивід першого джерела з'єднано з катодом здійснюється при одночасній комутації декількох діоду ключа, анод якого з'єднаний з негативним пар ключів у фазі перетворювача, що обумовлює виводом другого джерела, позитивний вивід якого додаткові комутаційні витрати у схемі, що особлианалогічним чином з'єднано з негативним виводом во суттєво при використанні ШІМ, а. також призвотретього джерела і так далі, позитивний вивід дить до виникнення імпульсних викривлень вихідостаннього джерела з'єднано з катодом діоду клюної напруги на інтервалі комутації, що обумовлює ча, анод якого утворює вихідний вивід фази пере 5 15262 6 необхідність встановлення додаткових фільтрів на - зменшення витрат при комутації ключів, змівиході перетворювача. на рівня вихідної напруги здійснюється комутацією 2. Лише перше джерело для формування налише однієї пари ключів; пруги використовує режим ШІМ відповідно одна - покращення гармонійного складу вихідної (перша) пара ключів перемикається з достатньо напруги за рахунок виключення комутаційних імвисокою частотою модуляції. Це обумовлює для пульсних викривлень при зміні її рівня. неї найбільш важкий тепловий режим внаслідок - вирівнювання теплового завантаження клювитрат потужності на комутацію. Інші ключі перечів. микаються з відносно невисокою частотою і мають Поставлена задача вирішується за рахунок томенш напружений режим роботи. го, що у багаторівневий перетворювач частоти, що Ознаки найближчого аналогу, які збігаються з містить в кожній вихідній фазі (2n-1) ізольованих ознаками корисної моделі, що заявляється: багаджерел постійної напруги (n=2,3,4..) та 4n напівпторівневий перетворювач частоти, що містить в ровідникових ключів двосторонньої провідності, кожній вихідній фазі (2n-1) ізольованих джерел що містять в собі повністю керований тиристор постійної напруги (n = 2,3,4..) та 4n напівпровідниабо транзистор і паралельно включений зворотний кових ключів двосторонньої провідності, що місдіод, при цьому негативний вивід першого джеретять в собі повністю керований тиристор або транла з'єднано з анодом діоду ключа, катод якого зистор і паралельно включений зворотний діод, утворює вхідний вивід фази перетворювача, позипри цьому негативний вивід першого джерела тивний вивід першого джерела з'єднано з катодом з'єднано з анодом діоду ключа, катод якого утвоключа, анод якого з'єднаний з негативним виводом рює вхідний вивід фази перетворювача, позитивдругого джерела, позитивний вивід якого аналогічний вивід першого джерела з'єднано з катодом ним чином з'єднано з негативним виводом третьоключа, анод якого з'єднаний з негативним виводом го джерела і так далі, позитивний вивід останнього другого джерела, позитивний вивід якого аналогічджерела з'єднано з катодом ключа, анод якого ним чином з'єднано з негативним виводом третьоутворює вихідний вивід фази перетворювача, вхіго джерела і так далі, позитивний вивід останнього дний вивід фази перетворювача з'єднано з анодом джерела з'єднано з катодом ключа, анод якого ключа, катод якого з'єднаний з позитивним вивоутворює вихідний вивід фази перетворювача, вхідом першого джерела, негативний вивід першого дний вивід фази перетворювача з'єднано з анодом джерела з'єднано з анодом ключа, катод якого ключа, катод якого з'єднаний з позитивним вивоз'єднаний з позитивним виводом другого джерела, дом першого джерела, негативний вивід першого негативний вивід другого джерела з'єднано з аноджерела з'єднано з анодом ключа, катод якого дом ключа, катод якого з'єднаний з позитивним з'єднаний з позитивним виводом другого джерела, виводом третього джерела і так далі, негативний негативний вивід другого джерела з'єднано з ановивід останнього джерела з'єднано з анодом клюдом ключа, катод якого з'єднаний з позитивним ча, катод якого з'єднаний з вихідним виводом фази виводом третього джерела і так далі, негативний перетворювача, пари ключів, що з'єднують джеревивід останнього джерела з'єднано з анодом клюла між собою, а перше і останнє з вхідними і вихіча, катод якого з'єднаний з вихідним виводом фази дними виводами фази перетворювача знаходятьперетворювача, пари ключів, що з'єднують джереся у протилежних станах (один замкнений, другий ла між собою, а перше і останнє з вхідними і вихівимкнений), входи керування ключів кожної фази дними виводами фази перетворювача знаходятьз'єднані з відповідними виходами формувачів імся у протилежних станах (один замкнений, другий пульсів, блок модуляції, перший вхід якого з'єднавимкнений), входи керування ключів кожної фази ний з виходом генератора трикутної напруги, на з'єднані з відповідними виходами формувачів імякому формується трикутна напруга з частотою пульсів, блок модуляції, перший вхід якого з'єднамодуляції, другий вхід блоку модуляції з'єднаний з ний з виходом генератора трикутної напруги, на виходом блоку віднімання, перший вхід якого з'єдякому формується трикутна напруга з частотою наний з першим виходом блоку дискретизації за модуляції, другий вхід блоку модуляції з'єднаний з рівнем, а другий вхід з входом блоку дискретизації виходом блоку віднімання, перший вхід якого з'єдза рівнем і відповідним виходом системи керуваннаний з першим виходом блоку дискретизації за ня, на виходах якої формуються синусоїдальні рівнем, а другий вхід з входом блоку дискретизації сигнали заданої амплітуди і частоти, зсув між якиза рівнем і відповідним виходом системи керуванми для трифазного перетворювача частоти скланя, на виходах якої формуються синусоїдальні дає 2 / 3 , другий вихід блоку дискретизації за рівсигнали заданої амплітуди і частоти, зсув між якинем з'єднаний з входом розподільника імпульсів, ми для трифазного перетворювача частоти склаінформаційні виходи якого з'єднані з входами віддає 2 / 3 , другий вихід блоку дискретизації за рівповідних формувачів імпульсів (за винятком пернем з'єднаний з входом розподільника імпульсів, шої і останньої пари ключів), вхідні виводи фаз інформаційні виходи якого з'єднані з входами відперетворювача частоти з'єднані між собою, вихідні повідних формувачів імпульсів (за винятком перпризначені для підключення навантаження, згідно шої і останньої пари ключів), вхідні виводи фаз корисної моделі додатково введені на кожну фазу; перетворювача частоти з'єднані між собою, вихідні формувач додаткових імпульсів, два перемикачі призначені для підключення навантаження. імпульсів для першої і останньої пар ключів, розВ основу пропонованої корисної моделі постаподільник імпульсів обладнаний додатковим вховлена задача підвищення енергетичних показників дом, який з'єднаний з виходом формувача додатперетворювача і електроприводу в цілому. Це докових імпульсів, вхід якого з'єднаний з другим сягається шляхом: виходом блоку дискретизації за рівнем, виходи 7 15262 8 перемикачів імпульсів для першої і останньої пар рування відповідними ключами схеми, що через ключів з'єднані з відповідними входами формуваформувачі імпульсів 10 і 11 надходять на входи чів імпульсів, перші два інформаційні входи з'єдвідповідних ключів, формувачі імпульсів забезпенані з виходами блоку модуляції, інші два інфорчують підсилення до необхідного рівня, часову маційні входи з'єднані з відповідними виходами затримку по передньому фронту для запобігання розподільника імпульсів, а входи керування перекоротких перемикань при одночасному вмиканні микачів з'єднані з відповідними виходами керуванключів з пари, гальванічну розв'язку кіл керування і ня розподільника імпульсів. силового кола перетворювача. Напруга uCT з перЗапропоновані ознаки дозволяють у процесі шого виходу блоку 2 і задана синусоїдальна наформування кожного рівня напруги і при переході пруга uЗAД з виходу блоку 1 надходять на входи з однієї сходинки вихідної напруги на іншу викориблоку віднімання 3. Сигнал різниці u1 надходить на стовувати ті джерела і відповідні їм пари ключів, другий вхід блоку модуляції 4, де порівнюється з щоб при зміні рівня перемикалась лише одна пара сигналом напруги трикутної форми uТР, що має ключів. При цьому у режимі ШІМ працюють почерчастоту модуляції. Якщо u1 більше uТР формується гово дві пари ключів перша і остання, що вирівнює імпульс на вмикання першого ключа відповідної їх завантаження за теплом. пари, в противному випадку на другому виході Зазначені ознаки складають суть корисної моблоку 4 формується імпульс на вмикання другого делі, тому що є необхідними і достатніми для доключа цієї ж пари. Означені імпульси через пересягнення технічного результату - підвищення енермикачі імпульсів 8, 9 та формувачі імпульсів 10, 11 гетичних показників перетворювача і надходять на входи керування відповідних ключів електроприводу за рахунок зниження комутаційних першої та останньої пари ключів на інтервалах витрат та покращення гармонійного складу вихідчасу, що на фіг.2 відокремлені більш темним коної напруги. льором. Ці інтервали визначаються відповідно між Суть корисної моделі пояснюється кресленнязаднім фронтом додаткового імпульсу UИ2 і передми: нім фронтом UИ1. Фіг.1 - функціональна схема однієї фази багаПри вмиканні ключів 19, 16, 21, 18 (інтервал 0– торівневого перетворювача частоти з трьома рівt1) вихідна напруга відсутня uВИХ=0. При переминями вихідної напруги; канні ключів 15119(16,21,18 замкнуті) на інтервалі Фіг.2 - часові діаграми сигналів для однієї фа(t1–t2) відповідно вихідному сигналу блока модулязи перетворювача. На Фіг.1 представлені: система ції здійснюється періодичне підключення - відклюкерування 1, блок дискретизації за рівнем 2, блок чення джерела 12 і вихідна напруга дорівнює Е віднімання 3, блок модуляції 4, генератор трикутабо 0, тобто напруга формується методом ШІМ з ної напруги 5, формувач додаткових імпульсів 6, напруги першого джерела. На інтервалі (t2-t3) вмирозподільник імпульсів 7, перемикачі імпульсів 8, кається ключ 19(16, 21, 18 - залишаються замкну9, формувачі імпульсів 10, 11, ізольовані джерела тими) - вихідна напруга відсутня uВИХ=0. На інтерпостійної напруги 12, 13, 14, ключі 15-22. валі (t3-t4) ключ 21 вимикається, вмикається 17 (16, На Фіг.2 представлені часові діаграми: заданої 18, 19- залишаються замкнутими) підключаються синусоїдальної напруги з виходу системи керуванджерела 13 і 14 напруга яких складається - вихідня uЗAД напруги з виходу блоку дискретизації за на напруга дорівнює uВИХФ=2Е. На інтервалі (t4-t5) рівнем uCT, сигнал похибки дискретизації з виходу постійно замкнуті ключі 16, 17, 19 - підключено блока віднімання u1, додаткові імпульси UИ1 і UИ2, джерело 13 вихідна напруга дорівнює Е, перемисигнали керування ключами 15 - 22, вихідна напрукання ключів 18 і 22 додає рівень Е (підключено га фази перетворювача uВИХФ. джерело 14) або 0. Таким чином на виході фази Багаторівневий перетворювач працює таким перетворювача відбувається складання ШІМ мочином. дульованої напруги Е останнього джерела 14 з Розглянемо роботу багаторівневого перетвонапругою другого 13 в відповідності з напругою рювача на прикладі схеми (фіг.1) з восьми ключаuCT. Таким чином - на кожному інтервалі часу здійми (n=2) і відповідно з (2n-1)=3 джерелами постійснюється перемикання ключів лише одної пари ної напруги Е (12,13,14), що дозволяє отримати в ключів. Перехід з нульової сходинки uCT на одиниuВИХФ 7 різних рівнів напруги: 0, ±Е, ±2Е, ±3Е. чну здійснюється у два такти: згідно імпульсу UИ1 Синусоїдальна напруга заданої амплітуди і встановлюється стан 0, а потім згідно імпульсу UИ2 частоти uЗAД з виходу системи керування електростан 2Е. Аналогічно у два такти здійснюється пеприводом 1 надходить на вхід блоку дискретизації рехід на наступну сходинку (спочатку встановлюза рівнем 2, де вона перетворюється в сигнал ється стан 2Е, а потім стан 3Е), а також і на інших східчастої форми uCT. (Фіг.2) на першому виході сходинках. Форма вихідної напруги фази перетвоблоку 2 і послідовність імпульсів, що фіксують рювача uВИХФ має вигляд, що наведений на Фіг.2. тривалість сходинок відповідних рівнів uCT на друАналогічним чином працює схема з іншою кігому виході блоку 2. Формувач додаткових імпульлькістю джерел. Алгоритм роботи в загальному сів 6 за переднім фронтом імпульсів, що фіксують випадку: перший рівень напруги позитивної поляртривалість кожної сходинки вихідної напруги форності формується при переході з нульового рівня мує два додаткових короткочасних імпульси (UИ1, перемиканням ключів, що підключають перше UИ2 на Фіг.2), що слідують один за другим. Додатджерело напруги, перехід на другий позитивний ковий імпульс також формується у моменти зміни рівень здійснюється з нульового підключенням полярності заданої синусоїдальної напруги. Розпередостаннього і останнього джерел, напруга подільник імпульсів 7 формує на своїх виходах яких складається, регулювання напруги здійснювісім послідовностей імпульсів (15-22 на Фіг.2) кеється вимкненням останнього джерела, перехід на 9 15262 10 третій позитивний рівень здійснюється з другого підключенням джерел у зворотному порядку запідключенням першого джерела, регулювання мість першого останнє і т.п. напруги на третьому рівні здійснюється вимкненСлід зазначити, що у режимі ШІМ модуляції ням першого джерела, перехід на четвертий різгідно сигналу и і використовуються почергово вень здійснюється з другого підключенням другого перше і останнє джерела, інші джерела формують і третього джерел, регулювання напруги здійснюнапругу східчастої форми згідно uCT з досить невиється вимкненням останнього джерела і т.д., тобто сокою частотою перемикань відповідних ключів перехід на непарні рівні здійснюється з попередсхеми. нього, а на парні рівні з попереднього парного. Що Таким чином у перетворювачі можуть бути застосується напруги негативної полярності то форстосовані різні ключі - перша і остання пара на мування відповідних рівнів напруги здійснюється транзисторах для забезпечення ШІМ, інші - на тиристорах. Комп’ютерна верстка Н. Лисенко Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601