Багаторівневий перетворювач частоти

Багаторівневий перетворювач частоти, що містить в кожній вихідній фазі схему на основі n послідовно з'єднаних однофазних мостових інверторів напруги, кожний з яких складається з чотирьох ключів двосторонньої провідності, що містять повністю керований тиристор або транзистор і паралельно включений зворотний діод, вільні виводи діагоналі змінного струму першого і останнього інверторів утворюють відповідно початок і кінець фази перетворювача частоти, початки фаз якого з'єднані між собою, кінці призначені для підключення навантаження, n ізольованих джерел постійної напруги підключені у діагональ постійного струму інверторів негативним виводом до анодів діодів першого і другого ключів, а позитивним виводом - до катодів діодів третього і четвертого ключів, (n-1) ізольованих джерел постійної напруги, що підключені між інверторами так, що позитивний вивід відповідного джерела з'єднується з катодом діода другого ключа попереднього інвертора і катодом діода першого ключа наступного інвертора, а негативний вивід з'єднується з анодом діода четвертого ключа попереднього інвертора і анодом діода третього ключа наступного інвертора, входи керування першого, третього, другого, четвертого ключів інверторів з'єднані з першим, другим, третім, четвертим виходами відповідних формувачів імпульсів, блок модуляції, перший вхід якого з'єднаний з виходом генератора трикутної напруги, на якому формується трикутна напруга з частотою модуляції, другий вхід блока модуляції з'єднаний з виходом блока віднімання, U 2 (19) 1 3 15267 4 інших споживачів електроенергії змінного струму частоти, початки фаз якого з'єднані між собою, регульованої частоти. кінці призначені для підключення навантаження, n Відомий перетворювач частоти [José ізольованих джерел постійної напруги, що підклюRodriguez, Jih-Sheng Lai, Fang Zheng Peng. чені у діагональ постійного струму інверторів негаMultilevel Inverters: A Survey of Topologies, Controls тивним виводом до анодів діодів першого і другого and Applications. IEEE Transactions on Industrial ключів, а позитивним виводом до катодів діодів Electronics, VOL. 49, № 4, AUGUST 2002 p. 724третього і четвертого ключів, (n-1) ізольованих 738], що містить в кожній вихідній фазі n послідовджерел постійної напруги, що підключені між інно з'єднаних однофазних мостових інверторів наверторами так, що позитивний вивід відповідного пруги, кожний інвертор складається з чотирьох джерела з'єднується з катодом діоду другого клюключів двосторонньої провідності, що містять в ча попереднього інвертора і катодом діоду першособі повністю керований тиристор або транзистор і го ключа наступного інвертора, а негативний вивід паралельно включений зворотний діод, n ізольоз'єднується з анодом діоду четвертого ключа пованих джерел постійної напруги, що підключені у переднього інвертора і анодом діоду третього діагональ постійного струму інверторів негативним ключа наступного інвертора, входи керування виводом до анодів діодів першого і другого ключів, першого, третього, другого, четвертого ключів іна позитивним виводом до катодів діодів третього і верторів з'єднані з першим, другим, третім, четвечетвертого ключів, вільні виводи діагоналі змінного ртим виходами відповідних формувачів імпульсів, струму першого і останнього інверторів утворюють перший і другий входи формувача імпульсів первідповідно початок і кінець фази перетворювача шого інвертора з'єднані з першим і другим вихочастоти, початки фаз якого з'єднані між собою, дами блоку модуляції, перший вхід якого з'єднаний кінці призначені для підключення навантаження, з виходом генератора трикутної напруги, на якому входи керування першого, третього, другого, четформується трикутна напруга з частотою модулявертого ключів інверторів з'єднані з першим, друції, другий вхід блоку модуляції з'єднаний з вихогим, третім, четвертим виходами відповідних фордом блоку віднімання, перший вхід якого з'єднаний мувачів імпульсів, перший, другій, третій, з першим виходом блоку дискретизації за рівнем, четвертий входи, яких підключені до однойменних а другий вхід з входом блоку дискретизації за ріввиходів блоків модуляції, перші входи яких з'єднані нем і відповідним виходом системи керування, на з відповідними виходами генератора трикутної виходах якої формуються синусоїдальні сигнали напруги, на яких формуються трикутні напруги з заданої амплітуди і частоти, зсув між якими для частотою модуляції, зсунуті друг відносно друга на трифазного перетворювача частоти складає 2π/3, кут 2π/n, другі входи блоків модуляції кожної фази другий вихід блоку дискретизації за рівнем з'єднаоб'єднані і з'єднані з відповідними виходами сисний з входом розподільника імпульсів, відповідні теми керування, на яких формуються синусоїдаінформаційні виходи якого з'єднані з третім, четльні сигнали заданої амплітуди і частоти, зсув між вертим входами формувача імпульсів першого якими для трифазного перетворювача частоти інвертора і першим, другим, третім, четвертим складає 2π/3. входами формувачів імпульсів другого і наступних Цей перетворювач має наступні недоліки. інверторів. 1. Велика кількість ключів в силовій схемі відЦей перетворювач має наступні недоліки. носно кількості рівнів вихідної напруги (4n ключів 1. Принцип побудови схеми використовує нена фазу відносно (2n+1) рівнів напруги). парну кількість джерел постійного струму (2n-1)=3, 2. Великі витрати потужності на комутацію у 5, 7.... Як наслідок, при використанні ключів на ключах схеми при використанні відомих засобів фіксовану напругу це дає велику дискретність рямодуляції, що обумовлює зниження коефіцієнту ду можливих значень вихідної напруги і не завжди корисної дії перетворювача в цілому і ускладнює забезпечує оптимальне співвідношення між напрусистему охолодження. гою ключів, кількістю рівнів вихідної напруги при Це зумовлює зниження показників схеми, збірізних значеннях вихідної напруги. Так, наприклад, льшує габарити і вартість перетворювача, ускладпри напрузі 3000В використовуємо 3 джерела і нює систему керування і зв'язки низьковольтних відповідно 3 рівня у напівхвилі вихідної напруги, кіл керування з високовольтними силовими колапри переході на напругу 6000В при використанні ми і, як наслідок, зниження показників надійності тих же ключів доцільно мати 6, а не 5 рівнів з віделектропривода в цілому. повідним покращенням гармонійного складу наНайбільш близьким аналогом до корисної мопруги. делі є багаторівневий перетворювач частоти [Ша2. Лише перше джерело для формування навьолкін O.O. "Багаторівневий перетворювач частопруги використовує режим широтно-імпульсної ти" Деклараційний патент на корисну модель № модуляції (ШІМ) відповідно одна пара ключів пе9148 МПК 7 Н02Р7/44, Н02М5/00, опубл. ремикається з достатньо високою частотою моду15.09.2005, Бюл. № 9], що містить в кожній вихідляції. Це обумовлює для неї найбільш важкий тепній фазі схему на основі n послідовно з'єднаних ловий режим внаслідок витрат потужності на однофазних мостових інверторів напруги, кожний з комутацію. Інші ключі перемикаються з відносно яких складається з чотирьох ключів двосторонньої невисокою частотою і мають менш напружений провідності, що містять в собі повністю керований режим роботи. тиристор або транзистор і паралельно включений Ознаки найближчого аналогу, які збігаються з зворотний діод, вільні виводи діагоналі змінного ознаками корисної моделі, що заявляється: яка струму першого і останнього інверторів утворюють містить в кожній вихідній фазі схему на основі n відповідно початок і кінець фази перетворювача послідовно з'єднаних однофазних мостових інвер 5 15267 6 торів напруги, кожний з яких складається з чотипостійної напруги, підключені у діагональ постійнорьох ключів двосторонньої провідності, що містять го струму інверторів негативним виводом до анов собі повністю керований тиристор або транзисдів діодів першого і другого ключів, а позитивним тор і паралельно включений зворотний діод, вільні виводом до катодів діодів третього і четвертого виводи діагоналі змінного струму першого і останключів, (n-1) ізольованих джерел постійної напрунього інверторів утворюють відповідно початок і ги, що підключені між інверторами так, що позитикінець фази перетворювача частоти, початки фаз вний вивід відповідного джерела з'єднується з якого з'єднані між собою, кінці призначені для підкатодом діоду другого ключа попереднього інверключення навантаження, n ізольованих джерел тора і катодом діоду першого ключа наступного постійної напруги, підключені у діагональ постійноінвертора, а негативний вивід з'єднується з аного струму інверторів негативним виводом до анодом діоду четвертого ключа попереднього інвердів діодів першого і другого ключів, а позитивним тора і анодом діоду третього ключа наступного виводом до катодів діодів третього і четвертого інвертора, входи керування першого, третього, ключів, (n-1) ізольованих джерел постійної напрудругого, четвертого ключів інверторів з'єднані з ги, що підключені між інверторами так, що позитипершим, другим, третім, четвертим виходами відвний вивід відповідного джерела з'єднується з повідних формувачів імпульсів, блок модуляції, катодом діоду другого ключа попереднього інверперший вхід якого з'єднаний з виходом генератора тора і катодом діоду першого ключа наступного трикутної напруги, на якому формується трикутна інвертора, а негативний вивід з'єднується з анонапруга з частотою модуляції, другий вхід блоку дом діоду четвертого ключа попереднього інвермодуляції з'єднаний з виходом блоку віднімання, тора і анодом діоду третього ключа наступного перший вхід якого з'єднаний з першим виходом інвертора, входи керування першого, третього, блоку дискретизації за рівнем, а другий вхід з входругого, четвертого ключів інверторів з'єднані з дом блоку дискретизації за рівнем і відповідним першим, другим, третім, четвертим виходами відвиходом системи керування, на виходах якої форповідних формувачів імпульсів, блок модуляції, муються синусоїдальні сигнали заданої амплітуди перший вхід якого з'єднаний з виходом генератора і частоти, зсув між якими для трифазного перетвотрикутної напруги, на якому формується трикутна рювача частоти складає 2π/3, другий вихід блоку напруга з частотою модуляції, другий вхід блоку дискретизації за рівнем з'єднаний з входом розпомодуляції з'єднаний з виходом блоку віднімання, дільника імпульсів, відповідні інформаційні виходи перший вхід якого з'єднаний з першим виходом якого з'єднані з третім, четвертим входами формублоку дискретизації за рівнем, а другий вхід з вховача імпульсів першого інвертора і першим, друдом блоку дискретизації за рівнем і відповідним гим, третім, четвертим входами формувачів імпувиходом системи керування, на виходах якої форльсів другого і наступних інверторів, згідно до муються синусоїдальні сигнали заданої амплітуди корисної моделі додатково введені на кожну фазу і частоти, зсув між якими для трифазного перетводва перемикачі імпульсів, додаткове ізольоване рювача частоти складає 2π/3, другий вихід блоку джерело постійної напруги, два ключі, формувач дискретизації за рівнем з'єднаний з входом розпоімпульсів, виходи якого з'єднані з входами керудільника імпульсів, відповідні інформаційні виходи вання доданих ключів, позитивний вивід додаткоякого з'єднані з третім, четвертим входами формувого джерела з'єднано з катодом діода ключа, що вача імпульсів першого інвертора і першим, друз'єднаний з негативним виводом (2n-1) джерела гим, третім, четвертим входами формувачів імпуостаннього інвертора, негативний вивід додаткольсів другого і наступних інверторів. вого джерела з'єднано з анодом діоду ключа, що В основу запропонованої корисній моделі посз'єднаний з позитивним виводом (2n-1) джерела, тавлена задача такого удосконалення багаторівдодані ключі один катодом діоду, а другий анодом невого перетворювача частоти яке дозволило б за діоду з'єднуються відповідно з позитивним і негарахунок збільшення на один кількості рівнів у критивним виводами доданого джерела, інші їх вивовій вихідної напруги і відповідного покращення її ди з'єднані з вихідним виводом фази перетворюгармонійного складу, узгодження напруг ключів вача, два виходи першого перемикача імпульсів схеми і вихідної напруги при отриманні парної кіз'єднані з першим і другим входами формувача лькості рівнів у напівхвилі кривої напруги фази імпульсів першого інвертора, два виходи другого забезпечити підвищення енергетичних показників перемикача імпульсів з'єднані з відповідними вхоперетворювача і електропривода, а також вирівдами доданого формувача імпульсів, перші два нювання теплового завантаження ключів. інформаційні входи перемикачів імпульсів з'єднані Поставлена задача вирішується за рахунок тоз виходами блоку модуляції, інші два інформаційні го, що багаторівневий перетворювач частоти, що входи з'єднані з відповідними виходами розподімістить в кожній вихідній фазі схему на основі n льника імпульсів, а входи керування перемикачів послідовно з'єднаних однофазних мостових інвердо відповідних виходів керування розподільника торів напруги, кожний з яких складається з чотиімпульсів. рьох ключів двосторонньої провідності, що містять Введенням в схему між останнім інвертором і в собі повністю керований тиристор або транзисвихідним виводом додаткового джерела з відповітор і паралельно включений зворотний діод, вільні дною парою ключів, що здійснюють його перемививоди діагоналі змінного струму першого і останкання, загальна кількість рівнів збільшується на 1 і нього інверторів утворюють відповідно початок і стає парною. Для керування ключами в схему такінець фази перетворювача частоти, початки фаз кож додано формувач імпульсів і відповідним чиякого з'єднані між собою, кінці призначені для підном збільшена кількість сигналів, що формує розключення навантаження, n ізольованих джерел подільник імпульсів. 7 15267 8 Введенням у схему двох перемикачів імпульблоку 2. Розподільник імпульсів 6 формує на своїх сів, що з'єднані з першою і останньою парами виходах 10 послідовностей імпульсів (Фіг.2) керуключів досягається можливість почергового перевання, що через формувачі імпульсів 9, 10, 11 намикання їх у режим ШІМ модуляції напруги першодходять на входи керування відповідних ключів, го та останнього джерел. Інформаційні входи пепричому для першої і останньої пари ключів через ремикачів імпульсів з'єднані відповідно з виходом перемикачі імпульсів 7 і 8, формувачі імпульсів блоку модуляції і розподільнику імпульсів, що дає забезпечують підсилення до необхідного рівня, змогу почергово змінювати джерело імпульсів. Це часову затримку по передньому фронту імпульсу призводить до перерозподілу комутацій з однієї для запобігання коротких перемикань при одночапари ключів на дві - у режимі ШІМ одночасно прасному вмиканні ключів пари, гальванічну розв'язку цює лише одна з них. кіл керування і силового кола перетворювача. НаЗапропоновані ознаки дозволяють забезпечипруга uCT з першого виходу блоку 2 і задана синути парну кількість рівнів у напівхвилі кривої вихідсоїдальна напруга uЗАД з виходу блоку 1 надходять ної напруги фази перетворювача і, тим самим, на входи блоку віднімання 3. Сигнал різниці (похидосягнути узгодження напруг ключів схеми і вихідбка дискретизації) u1 надходить на другий вхід ної напруги і покращення її гармонійного складу, а блоку модуляції 4, де порівнюється з сигналом також вирівняти (перерозподілити) теплове наваннапруги трикутної форми uTP, що має частоту мотаження першої та останньої пари ключів схеми дуляції (500-1000Гц). Якщо u і більше uTP формуперетворювача. ється імпульс на вмикання ключа 16 першої пари Зазначені ознаки складають суть корисної моабо ключа 24 з останньої пари, в противному виделі, тому що є необхідними і достатніми для допадку на другому виході блоку 4 формується імсягнення технічного результату - оптимізації кільпульс на вмикання іншого ключа з цих же пар клюкості рівнів у кривій вихідної напруги в залежності чів. Стан ключів схеми (16-25) визначається від типу ключів при різній номінальній напрузі педіаграмою на Фіг.2. При вмиканні ключів 17, 19, 20, ретворювача, а також забезпечення рівномірного 22, 25 (інтервал 0-t1) вихідна напруга відсутня, при теплового завантаження ключів, що зменшує заперемиканні ключів 20 (вимкнений) та 16 (замкневантаження окремих ключів, спрощує систему ний) підключено джерело 12 і вихідна напруга доохолодження і підвищує надійність роботи схеми. рівнює його напрузі Е. Почерговим перемиканням Суть корисної моделі пояснюється креслення20 і 16 згідно сигналам на виході блоку модуляції 4 ми: здійснюється відпрацьовування методом ШТМ - Фіг.1 - функціональна схема однієї фази пепершого інтервалу u1. Інтервали часу, де для відретворювача частоти з чотирма джерелами посповідних ключів схеми використовується ШІМ на тійного струму; Фіг.2 виділено затемненням. На інтервалі (t1-t2) - Фіг.2 - часові діаграми сигналів для однієї постійно замкнуті ключі 16, 17, 19, 22, 25 - підклюфази перетворювача з чотирма джерелами посчено джерело 12 вихідна напруга дорівнює Е. Петійного струму; ремикання ключів 24, 25 додає рівень Е (четверте На Фіг.1 представлені: система керування 1, джерело 15). Таким чином на виході фази перетблок дискретизації за рівнем 2, блок віднімання 3, ворювача відбувається складання ШІМ модульоблок модуляції 4, генератор трикутної напруги 5, ваної напруги Е четвертого джерела 15 з напругою розподільник імпульсів 6, перемикачі імпульсів 7, першого 12 в відповідності з напругою uCT. Форма 8, формувачі імпульсів 9, 10, 11, ізольовані джеревихідної напруги фази перетворювача uВИХФ має ла постійної напруги 12, 13, 14, 15, ключі 16-25. вигляд, що наведений на Фіг.2. Вибір ключів, що На Фіг.2 представлені часові діаграми: заданої перемикаються у режимі ШІМ забезпечують пересинусоїдальної напруги з виходу системи керуванмикачі 7 і 8, стан яких визначається відповідними ня UЗАД, напруги з виходу блоку дискретизації за сигналами керування з розподільнику імпульсів 6. рівнем UCT, сигнал похибки дискретизації з виходу Ці сигнали змінюються у протифазі, що забезпечує блока віднімання U1, сигнали керування ключами проходження на відповідні ключі імпульсів з вихо16-25, вихідна напруга фази перетворювача UВИХФ. ду блока модуляції 4 або з інформаційного виходу Багаторівневий перетворювач працює таким розподільника імпульсів 6. чином. Аналогічним чином працює схема з іншою кіРозглянемо роботу багаторівневого перетволькістю джерел (6, 8, ...) при цьому слід зазначити, рювача на прикладі схеми (Фіг.1) з 4 джерелами що у режимі ШІМ модуляції згідно сигналу u1 викопостійної напруги Е (12, 13, 14, 15), що дозволяє ристовується лише перше і останнє джерела, інші отримати в навантаженні 9 різних рівнів напруги: джерела формують напругу східчастої форми згідно uCT з досить невисокою частотою перемикань О, Е, 2Е, 3Е, 4Е. відповідних ключів схеми. Синусоїдальна напруга заданої амплітуди і Таким чином у перетворювачі можуть бути зачастоти uЗАД з виходу системи керування електростосовані різні ключі для першої і останньої пар приводом 1 надходить на вхід блоку дискретизації на транзисторах для забезпечення ШІМ, інші ключі за рівнем 2, де вона перетворюється в сигнал - на тиристорах. східчастої форми uCT. (Фіг.2) на першому виході блоку 2 і послідовність імпульсів, що фіксують тривалість кожної сходинки UCT, на другому виході 9 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 15267 Підписне 10 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