Багаторівневий автономний інвертор фазних напруг

Багаторівневий автономний інвертор фазних напруг, що містить паралельні гілки, кожна з яких має щонайменше два послідовно з'єднаних транзисторних ключі, зустрічно паралельно яким підключені діоди, і утворюючих щонайменше два синхронізованих по фазі мости з однойменними виводами змінної' напруги від середніх точок гілок, до яких підключено навантаження, а виводи постійної напруги мостів підключені до полюсів постійної' напруги джерела живлення, який відрізняється тим, що між однойменними виводами змінної напруги мостів включені групи, кожна з яких складається з двох зустрічно паралельно з'єднаних одноопераційних тиристорів. Корисна модель відноситься до електротехніки і може бути використана в частотнорегульованих електроприводах і системах вторинного електроживлення. Відомий багаторівневий інвертор напруги з трансформатором живлення, секції' вторинної обмотки якого переключаються за допомогою напівпровідникових керованих ключів [Авт.свид. СРСР №1601720, публ. 23 10.90, бюл.№39]. Відомий пристрій аналогічного призначення дозволяє сформувати східчасту напругу на однофазному навантаженні, однак наявність вхідного трансформатора ускладнює і здорожує пристрій, крім того, у трифазному варіанті виконання двигун повинний мати шістьох виводів замість загальноприйнятих трьох. Відомий багаторівневий трифазний інвертор, що містить підключений до крайніх виводів секціоньованого джерела живлення трифазний міст керованих ключів, два додаткових послідовно з'єднаних ключі, спільний вивід яких приєднаний до нульового ланцюга трифазного навантаження, а крайні виводи підключені до центральної секції джерела живлення. [Авт.свид. СРСР №1246305, публ. 23.07.86, 5юл.№27]. Відомий трифазний інвертор забезпечує фазну вихідну напругу двоступінчастої форми, яка не містить третьої гармоніки. Недоліком відомого пристрою є складність системи внаслідок наявності секціоньованого джерела живлення. Крім того, у відомому пристрої у якості додаткових ключів можуть бути використані тільки цілком керовані напівпровідникові прилади, наприклад, IGBтранзисторні модулі, що приводить до значних електричних втрат і дорожнечі відомого пристрою. Пристроєм, найбільш близьким до корисної моделі, що заявляється, є багаторівневий автономний інвертор фазних напруг, який містить мости, утворені паралельними гілками, що складаються з послідовно з'єднаних ключів, виводи постійного струму яких підключені до полюсів секцій джерела живлення, рівні потенціалів яких зростають по модулі відносно нульового виводу джерела живлення [патент РФ №2204880, публ.20.05.2003]. Відомий пристрій дозволяє одержати регульовану за рівнем, частотою і формою багатофазну змінну напругу на виході. Недоліками відомого багаторівневого автономного інвертора фазних напруг є його складність, а також недостатньо висока надійність унаслідок наявності секціоньованого джерела живлення. Крім того, у відомому пристрої неефективно (короткочасно) використовуються потужнострумові ключі на низькому рівні напруги. Це особливо виявляється в тяговому електроприводі, у якого максимальний струм при низькій напрузі є тільки при пуску локомотива, а в тривалому режимі при високій напрузі струм малий. Наявність великої' кількості транзисторів у відомому пристрої обумовлює його дорожнечу й суттєві електричні втрати. (О CM 00 о В основу корисної моделі, що заявляється, поставлена задача створення багаторівневого автономного інвертора фазних напруг, у якому введення нових елементів і нових зв'язків між елементами дозволяє знизити втрати енергії в ключах і підвищити надійність. Багаторівневий автономний інвертор фазних напруг, що заявляється, як і найближчий аналог містить паралельні гілки, кожна з яких має щонайменше два послідовно з'єднаних транзисторних ключі, зустрічне паралельно яким підключені діоди, і утворюючих щонайменше два синхронізованих по фазі моста з однойменними виводами змінної напруги від середніх точок гілок, до яких пщключено навантаження, а виводи постійної напруги мостів підключені до полюсів постійної напруги джерела живлення. Згідно корисної моделі, що заявляється, між однойменними виводами змінної напруги мостів включені групи, кожна з який складається з двох зустрічне паралельно з'єднаних одноопераційних тиристорів. Збільшення числа рівнів квантування вихідної напруги здійснюється шляхом збільшення кількості мостів, при цьому виключається секцюнування джерела постійної живильної напруги, що сприяє підвищенню надійності роботи багаторівневого автономного інвертору фазних напруг. Використання у схемі пристрою груп з двох зустрічне паралельно з'єднаних одно операційних тиристорів дозволяє знизити електричні втрати та підвищити експлуатаційну надійність пристрою. Таким чином, корисна модель, що заявляється, дозволяє підвищити надійність роботи багаторівневого автономного інвертору фазних напруг і знизити втрати енергії у ключах, забезпечуючи регульовану за рівнем, частотою та формою багаторівневу напругу на виході. Суть корисної моделі, що заявляється, пояснюється кресленнями. На Фіг. 1 подана схема дворівневого автономного інвертора фазних напруг, однофазним навантаженням якого можуть бути секції спільного споживача або автономні споживачі. На Фіг.2 подана схема дворівневого автономного інвертора фвзних напруг із трифазними навантаженнями. На Фіг.З подана діаграма переключень напівпровідникових приладів у схемі на Фіг.1 і криві вихідних напруг І струму на першому рівні напруги (першому етапі регулювання напруги на навантаженні). На Фіг.4 подана діаграма переключень напівпровідникових приладів у схемі на Фіг.1 і криві вихідних напруг і струму на другому рівні напруги (другому етапі регулювання напруги на навантаженні). Багаторівневий автономний інвертор фазних напруг містить паралельно з'єднані гілки, крайні спільні точки яких підключені до полюсів джерела живильної постійної напруги. Кожна гілка складається з послідовно з'єднаних транзисторних ключів 1, паралельно яким включені діоди 2. Конструктивно напівпровідникові структури силового біполярного транзисторного ключа 1 і зворотного діоду 2 виконані у вигляді IGBT модуля. Гілки утворюють однофазні (Фіг.1) 10826 або трифазні (Фіг.2) мости 3, синхронізовані між собою по фазі. Гілки мають виводи 4 змінної напруги від середніх точок гілок. Між однойменними виводами змінного струму мостів включені групи, кожна з який складається з двох паралельно з'єднаних одноопераційних тиристорів 5. До виводів 4 мостів 3 підключені однофазні навантаження Z1, Z2 або електричне не зв'язані один з одним, або секції одного спільного розщепленого навантаження (Фіг.1), або трифазні навантаження М1, М2 (Фіг.2). Збільшення числа рівнів квантування вихідної напруги здійснюється шляхом збільшення кількості МОСТІВ. Пристрій працює в такий спосіб. Регулювання величини вихідної напруги багаторівневого автономного інвертора фазних напруг і формування синусоїди струму навантаження здійснюється за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) живильної постійної напруги разом з квантуванням амплітуди вихідної напруги інвертора. При регулюванні вихідної напруги інвертора ' від нуля до повної напруги, рівної напрузі джерела живильно! постійної напруги Е, квантування його амплітуди здійснюється в два етапи. На першому етапі квантування амплітуди вихідної напруги інвертора порядок переключень тривалості провідного стану напівпровідникових приладів на періоді вихідно! напруги Ts при формуванні позитивної напівхвилі струму і визначається алгоритмом, як представлено на Фіг.З. Навантаження Zi і Z2 на інтервалах t з'єднуються послідовно і підключаються до джерела живильної постійно! напруги , таким чином, до кожної зі згаданих навантажень прикладається імЕ _ пульс напруги амплітудою ^ . На інтервалах to навантаження відключаються від джерела, і напруга на навантаженнях Zi і Z 2 дорівнює нулю. Дотримується співвідношення t н(ь= , де , де Тм - період модуляції. Коефіцієнт заповнення qv = т - змінюється по заданому законі ШІМ і по заданому рівні вихідної напруги на кожнім інтервалі Тм. Таким чином, величина вихідної напруги інЕ _ вертора из змінюється від нуля до ^ при зміні • сумарного коефіцієнту заповнення від нуля до одиниці. На другому етапі квантування амплітуди вихідної напруги інвертора алгоритм керування Інвертором ілюструє Фіг.4. На Інтервалах t w навантаження 2і і 2.2 паралельно підключаються до джерела живильної постійної' напруги, таким чином, до кожної зі згаданих навантажень прикладається імпульс напруги з амплітудою Е. Дотримується співвідношення tw+t =. Коефіцієнт 4w = — т заповнення змінюється від нуля до одиниці. Таким чином, величина вихідної напруги ін 10826 визначається часом відновлення керуючих властивостей одноопераційного тиристора при подаванні до нього напруги джерела живильної постійної напруги в зворотному напрямку і складає для швидкодіючих одноопераційних тиристорів величину порядку 8...32мкс. Так, наприклад, відключення тиристора А21 на інтервалі tk1 здійснюється короткочасним включенням пари транзисторів РА1.Т і МА1.т; відключення одноопераційного тиристора В 12 на інтервалі tk lv здійснюється при включенні РВ2.т і МВ1.Т. Як описано вище, тиристори А21 і В 12 задіяні при формуванні позитивної напівхвилі струму і. При формуванні негативної напівхвилі струму і замість них функціонують відповідно тиристори А12 і В21. Таким чином, корисна модель, що заявляється, дозволяє підвищити надійність роботи багаторівневого автономного Інвертору фазних напруг і знизити втрати енергії у ключах, забезпечуючи регульовану за рівнем, частотою та формою багаторівневу напругу на виході. вертора Ыээ на другому етапі змінюється від ^ до Е. При протіканні активного струму навантаження і до моменту 2 в IGBT модулях інвертора струм проводять транзисторні ключі 1, що в позначеннях приладів відзначено буквою «т», наприклад, РА1.Т. Після зміни полярності напруги на навантаженні з 2п Т, -X. (О C0 = й моменту =- і протягом часу ш де протікає індуктивний струм навантаження, що у IGBT модулях інвертора проводять діоди 2, що в позначеннях приладів відзначено буквою «д», наприклад, МА1.Д. При протіканні індуктивного струму навантаження при переході від інтервалів t o до інтервалів t на першому етапі регулювання і при переході від t до t w на другому етапі регулювання передбачені інтервали t k , протягом яких здійснюється примусове відключення відповідного одноопераційного тиристора. Тривалість інтервалу tk Фіг. 1 10826 Г v A? PCI А12Ж • A21 Z\ * a MCI B32 A2 MB2 PB2 L C2 PC2 Фіг. 2 MC2 10826 10 Фіг. З ФІГ. 4 Комп'ютерна верстка А. Крижанівський 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