Багаторівневий перетворювач частоти

Корисна модель відноситься до області електротехніки і може бути використана в автоматизованому електроприводі для частотного керування електродвигунами змінного струму, а також для інших споживачів електроенергії змінного струму регульованої частоти. Відомий перетворювач частоти [Jose Rodriguez, Jih-Sheng Lai, Fang Zheng Peng. Multilevel Inverters: A Survey of Topologies, Controls and Applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, VOL. 49, №4, AUGUST 2002, p.724-738], що містить джерело постійного струму з (n+1) - виводами, напруга на яких позитивна відносно нульового виводу та розподіляється відповідно на n - однакових рівнів відносно загальної напруги джерела і багаторівневий інвертор напруги, кожна фаза якого має 2n - послідовно згідно з'єднаних ключів двосторонньої проводимості, що складаються з повністю керованого тиристора або транзистора з паралельним зворотним діодом, анод діоду першого ключа і катод діоду останнього з'єднані відповідно з нульовим і верхнім n-виводом джерела, анод діоду середнього n-ключа призначений для підключення навантаження, катоди діодів останнього 2n-ключа і катоди діодів наступних ключів до (n+1) ключа з'єднується з катодами діодів, аноди яких з'єднані відповідно з верхнім і наступними (n-1) виводами джерела, аноди діодів середнього n - ключа і наступних до другого ключів з'єднуються з анодами діодів, катоди яких з'єднані відповідно з верхнім і наступними (n-1) виводами джерела, керуючі виводи ключів з'єднані з відповідними виводами блоку керування перетворювача, входи яких підключені до відповідних виходів системи керування, що формують завдання амплітуди і частоти вихідної напруги перетворювача. Перетворювач працює таким чином. Вихідна напруга на фазах навантаження формується підключенням їх до відповідних виводів джерела, що досягається вмиканням відповідних ключів схеми багаторівневого інвертора, імпульси керування ключами формуються блоком керування перетворювача згідно заданим значенням амплітуди і частоти вихідної напруги перетворювача. Цей перетворювач має наступні недоліки. 1. Напруга ключів схеми близька за значенням до вихідної напруги. Так при синусоїдальній ШІМ для схеми з трьома рівнями напруги джерела і 13 рівнями вихідної напруга ключів Uкл=0,47Uлвих (для перетворювача з послідовним з'єднанням інверторів Uкл =0,139Uлвих). 2. Робота фаз перетворювача взаємообумовлена, кількість можливих станів схеми достатньо велика, тому складною в реалізації є і система керування перетворювачем. 3. При тому ж числі рівнів в кривій вихідної фазної напруги, що і в схемі з послідовним з'єднанням інверторів в вихідних фазах перетворювача гармонійний склад напруги значно гірше. Особливо це стосується лінійної напруги, де кількість рівнів в два рази менша ніж у фазної - при 13 рівнях фазної у лінійній маємо лише 7 (для перетворювача з послідовним з'єднанням інверторів при 13 рівнях фазної напруги у лінійній маємо 25). Найбільш близьким аналогом до корисної моделі є багаторівневий перетворювач частоти [Jose Rodriguez, Jih-Sheng Lai, Fang Zheng Peng. Multilevel Inverters: A Survey of Topologies, Controls and Applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, VOL. 49, №4, AUGUST 2002, p.724-738], що містить в кожній вихідній фазі η послідовно з'єднаних однофазних мостових інверторів напруги, кожний інвертор складається з чотирьох ключів двосторонньої проводимості, 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, кінці призначені для підключення навантаження, входи керування першого, третього, другого, четвертого ключів інверторів з'єднані з першим, другим, третім, четвертим виходами відповідних формувачів імпульсів, перший, другій, третій, четвертий входи, яких підключені до однойменних виходів блоків модуляції, перші входи яких з'єднані з відповідними виходами генератора трикутної напруги, на яких формуються трикутні напруги з частотою модуляції, зсув фаз між якими складає 2p/n, другі входи блоків модуляції кожної фази об'єднані і з'єднані з відповідними виходами системи керування, на яких формуються синусоїдальні сигнали заданої амплітуди і .частоти, зсув фаз між якими для трифазного перетворювача частоти складає 2p/3. Перетворювач працює таким чином. Синусоїдальний сигнал заданої амплітуди і частоти для кожної фази перетворювача подається на другі входи блоків модуляції, на перші входи яких подаються відповідні трикутні напруги з частотою модуляції. Блоки модуляції здійснюють порівняння за рівнем синусоїдальної та трикутної напруг, в результаті чого на їх відповідних виходах формуються імпульси, що у подальшому розподіляються на ключі інверторів, забезпечуючи однополярну модуляцію, їх вихідної напруги. Ці імпульси поступають до формувачів імпульсів, де здійснюється їх підсилення, вводиться відповідна затримка часу за переднім фронтом імпульсів для виключення коротких перемикань у схемі інвертора при перемиканні ключів у плечах мостів, гальванічна розв'язка кіл керування відповідних ключів силової схеми і кола керування перетворювачем. В результаті кожний із послідовно з'єднаних інверторів формує ШІМ модульовану змінну напругу у вигляді імпульсів, що приймають значення U та 0 (для позитивної напівхвилі), -U та 0 (для негативної напівхвилі), де U - напруга джерела постійного струму, що підключене до інвертора. Оскільки інвертора з'єднані послідовно їх напруги складаються і на виході фази перетворювача отримуємо напругу, що має східчасту форму з ШІМ регулюванням у межах кожної сходинки, що відтворює заданий синусоїдальний сигнал. При цьому кількість рівнів (сходинок) у кожній напівхвилі вихідної напруги дорівнює кількості інверторів напруги і відповідно числу джерел напруги - n. Загальна кількість рівнів: К=2n+1. Цей перетворювач має наступні недоліки. 1. Велика кількість ключів в силовій схемі відносно кількості рівнів вихідної напруги (4n ключів на фазу відносно (2n+1) рівнів напруги). 2. Великі витрати потужності на комутацію у ключах схеми при використанні відомих засобів модуляції, що обумовлює зниження коефіцієнту корисної дії перетворювача в цілому і ускладнює систему охолодження. Ознаки найближчого аналогу, які збігаються з ознаками корисної моделі, що заявляється: перетворювач частоти, що містить в кожній вихідній фазі n послідовно з'єднаних однофазних мостових інверторів напруги, кожний інвертор складається з чотирьох ключів двосторонньої проводимості, 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, 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 напруги на якому формується трикутна напруга з частотою модуляції, перший і другій виходи блоку модуляції з'єднані з першим і другим входами формувача імпульсів першого інвертора, система керування, на виходах якої формуються синусоїдальні сигнали заданої амплітуди і частоти, зсув фаз між якими для трифазного перетворювача частоти складає 2p/3. У корисній моделі поставлена задача підвищення енергетичних показників перетворювача і електроприводу в цілому. Це досягається: - значним покращенням форми вихідної напруги і відповідно її гармонійного складу за рахунок збільшення кількості рівнів у кривій вихідної напруги до К=(4n-1) - при незмінній кількості ключів у силовій схемі (4n). При незмінній напрузі на виході відповідно кількості джерел постійної напруги зменшується і їх напруга. - зменшенням комутаційних витрат енергії при перемиканні ключів схеми за рахунок того, що лише два ключа у фазі перетворювача працює у режимі широтно-імпульсної модуляції і перемикається з високою частотою, а інші перемикаються з низькою частотою. Поставлена задача вирішується тим, що у багаторівневий перетворювач частоти, що містить в кожній вихідній фазі n послідовно з'єднаних однофазних мостових інверторів напруги, кожний інвертор складається з чотирьох ключів двосторонньої проводимості, 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 напруги, на якому формується трикутна напруга з частотою модуляції, перший і другій виходи блоку модуляції з'єднані з першим і другим входами формувача імпульсів першого інвертора, система керування, на виходах якої формуються синусоїдальні сигнали заданої амплітуди і частоти, зсув фаз між якими для трифазного перетворювача частоти складає 2p/3, відповідно до корисної моделі в нього додатково введені на кожну фазу блок дискретизації за рівнем, блок віднімання, розподільник імпульсів, (n-1) ізольованих джерел постійної напруги, що підключені між інверторами так, що позитивний вивід відповідного додаткового джерела з'єднується з катодом діоду другого ключа попереднього інвертора і катодом діоду першого ключа наступного інвертора, а негативний вивід з'єднується з анодом діоду четвертого ключа попереднього інвертора і анодом діоду третього ключа наступного інвертора, другий вхід блоку модуляції з'єднаний з виходом блоку віднімання, перший вхід якого з'єднаний з першим виходом блоку дискретизації за рівнем, а другий вхід з входом блоку дискретизації за рівнем і відповідним виходом системи керування, другий вихід блоку дискретизації за рівнем з'єднаний з входом розподільника імпульсів, відповідні виходи якого з'єднані з третім, четвертим входами формувача імпульсів першого інвертора і першим, другим, третім, четвертим входами формувачів імпульсів другого і наступних інверторів. Введення додаткових джерел постійного струму при незмінній кількості ключів у силовій схемі (4n) і запропонованому алгоритму їх перемикань дозволяє збільшити кількість рівнів у кривій вихідної напруги до К=(4n1). При незмінній напрузі на виході відповідно кількості джерел постійної напруги зменшується і їх напруга, а одночасно і висота сходинок у кривій вихідної напруги, що дозволяє відтворити синусоїдальний закон з найменшими похибками. Перемиканням відповідних ключів, що визначає розподільник імпульсів згідно з вихідними сигналами блоку дискретизації за рівнем, вихідна напруга формується як сума напруг окремих джерел постійного струму і має східчасту форму. Похибка між заданою синусоїдою і східчастою кривою визначається блоком віднімання і відпрацьовується у режимі ШІМ з напруги першого джерела парою ключів, що з'єднують його з початком фази перетворювача. Як наслідок, вихідна фазна напруга має східчасту форму з (4n-1) рівнями та ШІМ регулюванням у межах кожної сходинки (рівня) і значно наближається до заданої синусоїди. Запропоновані ознаки дозволяють забезпечити значне покращення форми і гармонійного складу вихідної напруги перетворювача, а також зменшити кількість перемикань ключів схеми. Зазначені ознаки складають суть корисної моделі, тому що є необхідними і достатніми для досягнення технічного результату - зменшення витрат енергії у навантаженні (асинхронному двигуні) внаслідок того, що запропонована корисна модель дозволяє значно покращити гармонійний склад напруги, що живить двигун, а також зменшення витрат енергії на комутацію ключів схеми перетворювача за рахунок зменшення частоти і кількості перемикань ключів, а таким чином і підвищення енергетичних показників перетворювача і електроприводу в цілому. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями: - фіг.1 - функціональна схема трифазного багаторівневого перетворювача частоти; - фіг.2 - функціональна схема однієї фази перетворювача частоти, що виконана на базі двох інверторів;. - фіг.3 - часові діаграми сигналів для однієї фази перетворювача. Багаторівневий трифазний перетворювач частоти складається (фіг. 1) з трьох ідентичних фазних блоків, що з'єднані за схемою «зірка». Навантаження Za, Zв, Zc (обмотка статору двигуна змінного струму) підключено до виходів перетворювача. На фіг.2 представлені: система керування електроприводом 1, блок дискретизації за рівнем 2, блок віднімання 3, блок модуляції 4, генератор трикутної напруги 5, розподільник імпульсів 6, формувачі імпульсів 7, 8, силовий блок з восьми ключів 9-16, ізольовані джерела постійної напруги 17, 19, додаткове джерело 18. На фіг.3 представлені часові діаграми: заданої синусоїдальної напруги з виходу системи керування Uзад, напруги з виходу блоку дискретизації за рівнем Ucт, сигнал похибки дискретизації з виходу блока віднімання U1, сигнали керування ключами 10, 12, 13, 14, 15, 16, вихідна напруга фази перетворювача Uвихф. Багаторівневий перетворювач працює таким чином. Розглянемо роботу багаторівневого перетворювача на прикладі схеми (фіг.2) на базі двох інверторів (n=2) з восьми ключами і відповідно з (2n-1)=3 джерелами постійної напруги Ε (17,18,19), що дозволяє отримати в навантаженні 7 різних рівнів напруги: 0, ±Е, ±2Е, ±3Е. Синусоїдальна напруга заданої амплітуди і частоти Uзад з виходу системи керування електроприводом 1 надходить до входу блоку дискретизації за рівнем 2, де вона перетворюється відповідно рівню дискретизації, що дорівнює третині амплітуди Uзад.мах в сигнал східчастої форми Ucт. (фіг. 3) на першому виході блоку 2 і послідовність імпульсів, що фіксують тривалість кожної сходинки Ucт, на другому виході блоку 2. Розподільник імпульсів 6 формує на своїх виходах шість послідовностей імпульсів (фіг. 2) керування другим 10 і четвертим 12 ключами першого інвертора, першим 13, другим 14, третім 15 і четвертим 16 ключами другого інвертора, що через формувачі імпульсів 7 і 8 надходять на входи відповідних ключів інверторів, формувачі імпульсів забезпечують підсилення до необхідного рівня, часову затримку по передньому фронту для запобігання коротких перемикань при одночасному вмиканні ключів, гальванічну розв'язку кіл керування і силового кола перетворювача. Напруга Ucт. з першого виходу блоку 2 і задана синусоїдальна напруга Uзад з виходу блоку 1 надходять на входи блоку віднімання 3. Сигнал різниці U1 надходить на другий вхід блоку модуляції 4, де порівнюється з сигналом напруги трикутної форми Uтр з виходу блоку 5, що має частоту модуляції (500-1000Гц). Якщо U1 більше Uтр формується імпульс на вмикання першого ключа першого інвертора 9, в противному випадку на другому виході блоку 4 формується імпульс на вмикання третього ключа першого інвертора 11. Означені імпульси через формувач імпульсів 7 надходять на входи керування відповідних ключів. Стан інших ключів схеми (10, 12, 13, 15, 16, 14) визначається діаграмою на фіг.3. При вмиканні ключів 11, 12, 15, 16 (інтервал 0-t1) вихідна напруга відсутня, при перемиканні ключів 11 і 9 підключено джерело 17 і вихідна напруга дорівнює Е. На інтервалі (t1-t2) постійно замкнуті ключі 12, 13, 14 - підключено джерело 18 вихідна напруга дорівнює Е. Перемикання ключів 9, 11 додає рівень Е. Таким чином на виході фази перетворювача відбувається складання ШІМ модульованої напруги Ε першого джерела 17 з напругою другого 18 і третього джерел 19 в відповідності з напругою Ucт. Форма вихідної напруги фази перетворювача Uвихф має вигляд, що наведений на фіг.3. Аналогічним чином працює схема з іншою кількістю інверторів при цьому слід зазначити, що у режимі ШІМ модуляції згідно сигналу Ш використовується лише перше джерело, тоді як інші джерела формують напругу східчастої форми згідно Ucт з досить невисокою частотою перемикань відповідних ключів схеми. Таким чином у перетворювачі можуть бути застосовані різні ключі - перший і третій першого інвертору на транзисторах для забезпечення ШІМ, інші ключі - на тиристорах. Застосування корисної моделі дозволяє при збереженні кількості ключів схеми збільшити кількість рівнів у кривій вихідної напруги перетворювача, що покращує її гармонійний склад. Оскільки у режимі ШІМ працює лише два ключа на фазу то зменшуються і витрати енергії на комутацію ключів. Як варіант застосування запропонована корисна модель може бути використана для зменшення кількості ключів схеми перетворювача з n - джерелами постійного струму і відповідно з К=(2n+1) - рівнями вихідної напруги. При цьому кількість ключів у фазі замість (4n) буде лише 2(n+1), відповідно зменшуються витрати енергії у ключах, маса, габарити і вартість перетворювача.