Багаторівневий перетворювач частоти

Багаторівневий перетворювач частоти, що має в кожній вихідній фазі n послідовно з'єднаних однофазних мостових інверторів напруги, кожний інвертор складається з чотирьох ключів двосторонньої провідності, що містять в собі повністю керований тиристор або транзистор і паралельно включений зворотний діод, n ізольованих джерел постійної напруги, що 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, вільні виводи діагоналі змінного струму першого і останнього інверторів утворюють, відповідно, початок і кінець фази перетворювача частоти, початки фаз якого з'єднані між собою, при цьому кінці призначені для підключення навантаження, 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 C2 2 (19) 1 3 77559 4 джерела, анод діоду середнього n-ключа признапідключення навантаження, входи керування перчений для підключення навантаження, катоди шого, третього, другого, четвертого ключів діодів останнього 2n-ключа і катоди діодів наступінверторів з'єднані з першим, другим, третім, четних ключів до (n+1) ключа з'єднується з катодами вертим виходами відповідних формувачів діодів, аноди яких з'єднані відповідно з верхнім і імпульсів, перший, другій, третій, четвертий входи, наступними (n-1) виводами джерела, аноди діодів яких підключені до однойменних виходів блоків середнього n - ключа і наступних до другого ключів модуляції, перші входи яких з'єднані з з'єднуються з анодами діодів, катоди яких з'єднані відповідними виходами генератора трикутної навідповідно з верхнім і наступними (n-1) виводами пруги, на яких формуються трикутні напруги з часджерела, керуючі виводи ключів з'єднані з тотою модуляції, зсув фаз між якими складає відповідними виводами блоку керування перетво2 / n , другі входи блоків модуляції кожної фази рювача, входи яких підключені до відповідних об'єднані і з'єднані з відповідними виходами сисвиходів системи керування, що формують завдантеми керування, на яких формуються ня амплітуди і частоти вихідної напруги перетвосинусоїдальні сигнали заданої амплітуди і частоти, рювача. зсув фаз між якими для трифазного перетворюваПеретворювач працює таким чином. ча частоти складає 2 / 3 . Вихідна напруга на фазах навантаження Перетворювач працює таким чином. формується підключенням їх до відповідних Синусоїдальний сигнал заданої амплітуди і виводів джерела, що досягається вмиканням частоти для кожної фази перетворювача відповідних ключів схеми багаторівневого подається на другі входи блоків модуляції, на інвертора, імпульси керування ключами формуперші входи яких подаються відповідні трикутні ються блоком керування перетворювача згідно напруги з частотою модуляції. Блоки модуляції заданим значенням амплітуди і частоти вихідної здійснюють порівняння за рівнем синусоїдальної напруги перетворювача. та трикутної напруг, в результаті чого на їх Цей перетворювач має наступні недоліки. відповідних виходах формуються імпульси, що у 1. Напруга ключів схеми близька за значенням подальшому розподіляються на ключі інверторів, до вихідної напруги. Так при синусоїдальній ШІМ забезпечуючи однополярну модуляцію їх вихідної для схеми з трьома рівнями напруги джерела і 13 напруги. Ці імпульси поступають до формувачів рівнями вихідної напруга ключів Цкл=0,47Uлвих імпульсів, де здійснюється їх підсилення, вводить(для перетворювача з послідовним з'єднанням ся відповідна затримка часу за переднім фронтом інверторів Цкл=0,139Uлвих). імпульсів для виключення коротких перемикань у 2. Робота фаз перетворювача схемі інвертора при перемиканні ключів у плечах взаємообумовлена, кількість можливих станів мостів, гальванічна розв'язка кіл керування схеми достатньо велика, тому складною в відповідних ключів силової схеми і кола керування реалізації є і система керування перетворювачем. перетворювачем. В результаті кожний із 3. При тому ж числі рівнів в кривій вихідної послідовно з'єднаних інверторів формує ШІМ мофазної напруги, що і в схемі з послідовним дульовану змінну напругу у вигляді імпульсів, що з'єднанням інверторів в вихідних фазах перетвоприймають значення U та 0 (для позитивної рювача гармонійний склад напруги значно гірше. напівхвилі), -U та 0 (для негативної на-півхвилі), де Особливо це стосується лінійної напруги, де U - напруга джерела постійного струму, що кількість рівнів в два рази менша ніж у фазної підключене до інвертора. Оскільки інвертори при 13 рівнях фазної у лінійній маємо лише 7 (для з'єднані послідовно їх напруги складаються і на перетворювача з послідовним з'єднанням виході фази перетворювача отримуємо напругу, інверторів при 13 рівнях фазної напруги у лінійній що має східчасту форму з ШІМ регулюванням у маємо 25). межах кожної сходинки, що відтворює заданий Найбільш близьким аналогом до винаходу є синусоїдальний сигнал. При цьому кількість рівнів багаторівневий перетворювач частоти [Jose Rodri(сходинок) у кожній напівхвилі вихідної напруги guez, Jih-Sheng Lai, Fang Zheng Peng. Multilevel дорівнює кількості інверторів напруги і відповідно Inverters: A Survey of Topologies, Controls and Apчислу джерел напруги - n. Загальна кількість plications. IEEE Transactions on Industrial Electronрівнів: К=2n+1. ics, VOL. 49, № 4, AUGUST 2002, p. 724-738], що Цей перетворювач має наступні недоліки. містить в кожній вихідній фазі n послідовно 1. Велика кількість ключів в силовій схемі з'єднаних однофазних мостових інверторів напрувідносно кількості рівнів вихідної напруги (4n ги, кожний інвертор складається з чотирьох ключів ключів на фазу відносно (2n+1) рівнів напруги). двосторонньої проводимості, що містять в собі 2. Великі витрати потужності на комутацію у повністю керований тиристор або транзистор і ключах схеми при використанні відомих засобів паралельно включений зворотний діод, n модуляції, що обумовлює зниження коефіцієнту ізольованих джерел постійної напруги, що корисної дії перетворювача в цілому і ускладнює підключені у діагональ постійного струму систему охолодження. інверторів негативним виводом до анодів діодів Ознаки найближчого аналогу, які збігаються з першого і другого ключів, а позитивним виводом ознаками винаходу, що заявляється: перетворюдо катодів діодів третього і четвертого ключів, вач частоти, що містить в кожній вихідній фазі n вільні виводи діагоналі змінного струму першого і послідовно з'єднаних однофазних мостових останнього інверторів утворюють відповідно почаінверторів напруги, кожний інвертор складається з ток і кінець фази перетворювача частоти, початки чотирьох ключів двосторонньої проводимості, що фаз якого з'єднані між собою, кінці призначені для містять в собі повністю керований тиристор або 5 77559 6 транзистор і паралельно включений зворотний формувача імпульсів першого інвертора, система діод, n ізольованих джерел постійної напруги, що керування, на виходах якої формуються підключені у діагональ постійного струму синусоїдальні сигнали заданої амплітуди і частоти, інверторів негативним виводом до анодів діодів зсув фаз між якими для трифазного перетворювапершого і другого ключів, а позитивним виводом ча частоти складає 2 / 3 , відповідно до винаходу до катодів діодів третього і четвертого ключів, в нього додатково введені на кожну фазу блок вільні виводи діагоналі змінного струму першого і дискретизації за рівнем, блок віднімання, останнього інверторів утворюють відповідно почарозподільник імпульсів, (n-1) ізольованих джерел ток і кінець фази перетворювача частоти, початки постійної напруги, що підключені між інверторами фаз якого з'єднані між собою, кінці призначені для так, що позитивний вивід відповідного додаткового підключення навантаження, входи керування перджерела з'єднується з катодом діоду другого клюшого, третього, другого, четвертого ключів ча попереднього інвертора і катодом діоду першоінверторів з'єднані з першим, другим, третім, четго ключа наступного інвертора, а негативний вивід вертим виходами відповідних формувачів з'єднується з анодом діоду четвертого ключа поімпульсів, блок модуляції, перший вхід якого переднього інвертора і анодом діоду третього з'єднаний з виходом генератора трикутної напруги ключа наступного інвертора, другий вхід блоку на якому формується трикутна напруга з частотою модуляції з'єднаний з виходом блоку віднімання, модуляції, перший і другій виходи блоку модуляції перший вхід якого з'єднаний з першим виходом з'єднані з першим і другим входами формувача блоку дискретизації за рівнем, а другий вхід з вхоімпульсів першого інвертора, система керування, дом блоку дискретизації за рівнем і відповідним на виходах якої формуються синусоїдальні сигнавиходом системи керування, другий вихід блоку ли заданої амплітуди і частоти, зсув фаз між якими дискретизації за рівнем з'єднаний з входом для трифазного перетворювача частоти складає розподільника імпульсів, відповідні виходи якого 2 /3. з'єднані з третім, четвертим входами формувача У винаході поставлена задача підвищення імпульсів першого інвертора і першим, другим, енергетичних показників перетворювача і електретім, четвертим входами формувачів імпульсів троприводу в цілому. Це досягається: другого і наступних інверторів. - значним покращенням форми вихідної напруВведення додаткових джерел постійного струги і відповідно її гармонійного складу за рахунок му при незмінній кількості ключів у силовій схемі збільшення кількості рівнів у кривій вихідної напру(4n) і запропонованому алгоритму їх перемикань ги до К=(4n+1) при незмінній кількості ключів у дозволяє збільшити кількість рівнів у кривій силовій схемі (4n). При незмінній напрузі на виході вихідної напруги до К=(4n+1). При незмінній відповідно кількості джерел постійної напруги напрузі на виході відповідно кількості джерел зменшується і їх напруга. постійної напруги зменшується і їх напруга, а од- зменшенням комутаційних витрат енергії при ночасно і висота сходинок у кривій вихідної напруперемиканні ключів схеми за рахунок того, що лиги, що дозволяє відтворити синусоїдальній закон з ше два ключа у фазі перетворювача працює у найменшими похибками. режимі широтно-імпульсної модуляції і Перемиканням відповідних ключів, що перемикається з високою частотою, а інші перемивизначає розподільник імпульсів згідно з каються з низькою частотою. вихідними сигналами блоку дискретизації за Поставлена задача вирішується тим, що у рівнем, вихідна напруга формується як сума набагаторівневий перетворювач частоти, що містить пруг окремих джерел постійного струму і має в кожній вихідній фазі n послідовно з'єднаних одсхідчасту форму. Похибка між заданою нофазних мостових інверторів напруги, кожний синусоїдою і східчастою кривою визначається блоінвертор складається з чотирьох ключів ком віднімання і відпрацьовується у режимі ШІМ з двосторонньої проводимості, що містять в собі напруги першого джерела парою ключів, що повністю керований тиристор або транзистор і з'єднують його з початком фази перетворювача. паралельно включений зворотний діод, n Як наслідок, вихідна фазна напруга має східчасту ізольованих джерел постійної напруги, що форму з (4n+1) рівнями та ШІМ регулюванням у підключені у діагональ постійного струму межах кожної сходинки (рівня) і значно інверторів негативним виводом до анодів діодів наближається до заданої синусоїди. першого і другого ключів, а позитивним виводом Запропоновані ознаки дозволяють забезпечидо катодів діодів третього і четвертого ключів, ти значне покращення форми і гармонійного склавільні виводи діагоналі змінного струму першого і ду вихідної напруги перетворювача, а також останнього інверторів утворюють відповідно почазменшити кількість перемикань ключів схеми. ток і кінець фази перетворювача частоти, початки Зазначені ознаки складають суть винаходу, фаз якого з'єднані між собою, при цьому кінці тому що є необхідними і достатніми для досягненпризначені для підключення навантаження, входи ня технічного результату - зменшення витрат керування першого, третього, другого, четвертого енергії у навантаженні (асинхронному двигуні) ключів інверторів з'єднані з першим, другим, внаслідок того, що запропонований винахід третім, четвертим виходами відповідних дозволяє значно покращити гармонійний склад формувачів імпульсів, блок модуляції, перший вхід напруги, що живить двигун, а також зменшення якого з'єднаний з виходом генератора трикутної витрат енергії на комутацію ключів схеми перетвонапруги, на якому формується трикутна напруга з рювача за рахунок зменшення частоти і кількості частотою модуляції, перший і другій виходи блоку перемикань ключів, а таким чином і підвищення модуляції з'єднані з першим і другим входами 7 77559 8 енергетичних показників перетворювача і елекзапобігання коротких перемикань при одночаснотроприводу в цілому. му вмиканні ключів, гальванічну розв'язку кіл керуСуть винаходу пояснюється кресленнями: вання і силового кола перетворювача. Напруга - Фіг.1 - функціональна схема трифазного Uст. з першого виходу блоку 2 і задана багаторівневого перетворювача частоти; синусоїдальна напруга Uзад з виходу блоку 1 над- Фіг.2 - функціональна схема однієї фази пеходять на входи блоку віднімання 3. Сигнал різниці ретворювача частоти, що виконана на базі двох U1 надходить на другий вхід блоку модуляції 4, де інверторів;. порівнюється з сигналом напруги трикутної форми - Фіг.3 - часові діаграми сигналів для однієї Uтр з виходу блоку 5, що має частоту модуляції фази перетворювача. (500-1000 Гц). Якщо U1 більше Uтp формується Багаторівневий трифазний перетворювач часімпульс на вмикання першого ключа першого тоти складається (Фіг.1) з трьох ідентичних фазних інвертора 9, в противному випадку на другому блоків, що з'єднані за схемою «зірка». Навантавиході блоку 4 формується імпульс на вмикання ження Za, Zв, Zc (обмотка статору двигуна третього ключа першого інвертора 11. Означені змінного струму) підключено до виходів перетвоімпульси через формувач імпульсів 7 надходять рювача. на входи керування відповідних ключів. Стан інших На Фіг.2 представлені: система керування ключів схеми (10, 12, 13, 15, 16, 14) визначається електроприводом 1, блок дискретизації за рівнем діаграмою на Фіг.3. При вмиканні ключів 11, 12, 15, 2, блок віднімання 3, блок модуляції 4, генератор 16 (інтервал 0-tl) вихідна напруга відсутня, при трикутної напруги 5, розподільник імпульсів 6, перемиканні ключів 11 і 9 підключено джерело 17 і формувачі імпульсів 7, 8, силовий блок з восьми вихідна напруга дорівнює Е. На інтервалі (t1-t2) ключів 9-16, ізольовані джерела постійної напруги постійно замкнуті ключі 12, 13, 14 - підключено 17, 19, додаткове джерело 18. джерело 18 вихідна напруга дорівнює Е. ПеремиНа Фіг.3 представлені часові діаграми: заданої кання ключів 9, 11 додає рівень Е. Таким чином на синусоїдальної напруги з виходу системи керуванвиході фази перетворювача відбувається скланя Uзад, напруги з виходу блоку дискретизації за дання ШІМ модульованої напруги Е першого джерівнем Uст, сигнал похибки дискретизації з виходу рела 17 з напругою другого 18 і. третього джерел блока віднімання U1, сигнали керування ключами 19 в відповідності з напругою Uст. Форма вихідної 10, 12, 13, 14, 15, 16, вихідна напруга фази перенапруги фази перетворювача Uвихф має вигляд, творювача Uвихф. що наведений на Фіг.3. Багаторівневий перетворювач працює таким Аналогічним чином працює схема з іншою чином. кількістю інверторів при цьому слід зазначити, що Розглянемо роботу багаторівневого перетвоу режимі ШІМ модуляції згідно сигналу U1 рювача на прикладі схеми (Фіг.2) на базі двох використовується лише перше джерело, тоді як інверторів (n=2) з восьми ключами і відповідно з інші джерела формують напругу східчастої форми (2n-1)=3 джерелами постійної напруги Е (17, 18, згідно Uст з досить невисокою частотою переми19), що дозволяє отримати в навантаженні 7 кань відповідних ключів схеми. різних рівнів напруги: 0, ±Е, ±2Е, ±3Е. Таким чином у перетворювачі можуть бути Синусоїдальна напруга заданої амплітуди і застосовані різні ключі - перший і третій першого частоти Uзад з виходу системи керування елекінвертору на транзисторах для забезпечення ШІМ, троприводом 1 надходить до входу блоку інші ключі - на тиристорах. дискретизації за рівнем 2, де вона перетворюється Застосування запропонованого винаходу відповідно рівню дискретизації, що дорівнює дозволяє при збереженні кількості ключів схеми третині амплітуди изад.мах в сигнал східчастої збільшити кількість рівнів у кривій вихідної напруги форми Uст. (Фіг.3) на першому виході блоку 2 і перетворювача, що покращує її гармонійний послідовність імпульсів, що фіксують тривалість склад. Оскільки у режимі ШІМ працює лише два кожної сходинки Uст, на другому виході блоку 2. ключі на фазу зменшуються і витрати енергії на Розподільник імпульсів 6 формує на своїх виходах комутацію ключів. шість послідовностей імпульсів (Фіг.2) керування Як варіант застосування запропонований другим 10 і четвертим 12 ключами першого винахід може бути використаний для зменшення інвертора, першим 13, другим 14, третім 15 і четкількості ключів схеми перетворювача з n - джеревертим 16 ключами другого інвертора, що через лами постійного струму і відповідно з К=(2n+1) формувачі імпульсів 7 і 8 надходять на входи рівнями вихідної напруги. При цьому кількість відповідних ключів інверторів, формувачі імпульсів ключів у фазі замість (4n) буде лише 2(n+1), забезпечують підсилення до необхідного рівня, відповідно зменшуються витрати енергії у ключах, часову затримку по передньому фронту для маса, габарити і вартість перетворювача. 9 Комп’ютерна верстка М. Клюкін 77559 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