Гібридний несиметричний багаторівневий перетворювач частоти

Гібридний несиметричний багаторівневий перетворювач частоти, що містить систему керування електроприводом, функціональний перетворювач, компаратор, два джерела з напругою U3=6U, на кожну вихідну фазу два послідовно з'єднаних однофазних мостових інвертори напруги, які складаються з чотирьох ключів, джерело з напругою U2=3U, негативний вивід якого підключено до негативного виводу діагоналі постійного струму другого з однофазних мостових інверторів напруги, вільний вивід діагоналі змінного струму першого однофазного мостового інвертора напруги утворює кінець фази перетворювача, що призначений для підключення навантаження, перемикач сигналів керування, блок керування, розподільник імпульсів, блок дискретизації за рівнем, суматор, вихід компаратора з'єднано з входом керування перемикача сигналів керування, виходи якого з'єднані з входами керування ключів відповідних однофазних мостових інверторів напруги, перші виходи системи керування електроприводом з'єднані з другим входом суматора, другий і третій ви ходи системи керування електроприводом з'єднані з відповідними входами функціонального перетворювача, другий вихід також з'єднано з входом компаратора, перший вихід функціонального перетворювача з'єднано з першим входом суматора, вихід суматора з'єднано з першим входом задання фазних напруг блока керування і блока дискретизації за рівнем, вихід якого з'єднано з входом розподільника імпульсів, виходи якого з'єднані з першими входами перемикача сигналів керування, з другими входами якого з'єднані виходи блока керування, другий вхід блока керування з'єднано з другим виходом функціонального перетворювача, 2 (19) 1 3 37698 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 гібридний несиметричний багаторівневий перетворювач частоти (далі - перетворювач) [Martin Veenstra, Alfred Rufer, Control of a Hybrid Asymmetric Multilevel Inverter for Competitive Medium-Voltage Industrial Drives. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 41, NO. 2, MARCH/APRIL 2005. p. 655-664.], що містить джерело постійного струму (далі - джерело) з трьома рівнями напруги, що утворені розподілювачем напруги на двох послідовно з'єднаних конденсаторах, спільна точка конденсаторів розподілювачів напруги являє собою нульовий вивід джерела з трьома рівнями напруги, джерело з трьома рівнями напруги складається з двох послідовно з'єднаних трифазних мостових випрямлячів, що живляться від двох ізольованих вторинних обмоток трансформатору, що з'єднані за схемами "трикутник" і "зірка", трифазні мостові випрямлячі підключено до конденсаторів розподілювача напруги через зарядні резистори, з контакторами, що їх замикають, трифазний трирівневий інвертор напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами, кожна фаза якого має чотири послідовно згідно з'єднаних ключа двобічної провідності (далі - ключ), що складаються з повністю керованого тиристора або транзистора з паралельним зворотним діодом, анод зворотного діоду першого і катод зворотного діоду останнього ключа з'єднані відповідно з негативним і позитивним виводом конденсаторів розподілювача напруги, анод зворотного діоду другого ключа є вихідним виводом фази трифазного трирівневого інвертора напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами, а його катод з'єднано з катодом першого фіксуючого діоду, катод зворотного діоду четвертого ключа з'єднано з анодом другого фіксуючого діоду, катод якого з'єднано з анодом першого фіксуючого діоду і нульовим виводом джерела з трьома рівнями напруги, до ви ходу кожної фази трифазного трирівневого інвертора напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами підключено вивід діагоналі змінного струму однофазного мостового інвертора напруги, що складається з чотирьох ключів, у діагональ постійного струму однофазного мостового інвертора напруги підключено конденсатор, вільні виводи діагоналі змінного струму однофазного мостового інвертора напруги призначені для підключення навантаження, керуючі виводи ключів трифазного трирівневого інвертора напруги і однофазного мостового інвертора напруги з'єднані з відповідними виводами блоку керування перетворювача, входи яких підключені до відповідних виходів регулятора, що прогнозує, вхід регулятора, що прогнозує з'єднано з виходом системи керування. Перетворювач працює таким чином. Оскільки однофазні мостові інвертори напруги не мають джерел схема передбачає попередній 4 заряд їх конденсаторів до вмикання перетворювача. Попереднє заряджання конденсаторів однофазних мостових інверторів напруги здійснюється від джерел трифазних трирівневих інверторів напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами разом з конденсаторами розподілювача напруги через зарядні резистори і коло навантаження. При цьому трифазний трирівневий інвертор напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами працює у режимі 6-ти-тактного перемикача з вихідною напругою ±3U, однофазні мостові інвертори напруги перемикаються у протифазі таким чином, що їх напруга віднімається. Це відповідає передаванню енергії у коло постійного струму і заряджанню конденсаторів схеми. По завершенні заряду, зарядні резистори замикаються контакторами. Сигнал завдання для кожної фази перетворювача формується регулятором, що прогнозує як сума основної і кратних їй гармонік uзад=(Asinωt+A3sin(3ωt)+A9sin(9ωt)) і подається на відповідні входи блоку керування, який формує імпульси керування на ключі трифазних трирівневий інверторів напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами і однофазних мостових інверторів напруги, чим забезпечує формування вихідної напруги, що має східчасту форму з постійним кроком U і ШІМ регулюванням у межах кожної сходинки, що відтворює сигнал заданої амплітуди і частоти. При відсутності нульового дроту з боку навантаження, гармоніки з частотами кратними трьом у фазних напругах навантаження відсутні. Регулятор, що прогнозує, згідно струму навантаження і відповідно визначеним математичним залежностям моделює процеси заряджання конденсаторів і розраховує поточні значення амплітуди А3 і A9 за умовою підтримання напруги на конденсаторах однофазного мостового інвертора напруги постійною з деяким відхиленням від значення U. Кількість рівнів (сходинок) у кожній напівхвилі вихідної напруги перетворювача при максимальному її значенні дорівнює n=(3U+U)/U=4. При цьому вихідна напруга відповідної сходинки визначається складанням або відніманням напруг інверторів. Цей перетворювач має наступні недоліки. 1. Обмежений діапазон регулювання напруги у межах 1,5U-3,5U, коли забезпечується підтримання режиму однофазних мостових інверторів напруги за рахунок введення третьої та дев'ятої гармонік, це ускладнює реалізацію частотного керування і пуску дви гуна. 2. В наслідок обмеженої кількості рівнів вихідна напруга перетворювача має значний коефіцієнт гармонік, що обумовлює додаткові витрати енергії на нагрівання двигуна. 3. Використання двох регулюючи х параметрів (третя та дев'ята гармоніки) значно ускладнює систему керування і передбачає необхідність використання спеціального модельно-прогнозуючого регулятору для стабілізації напруги конденсаторів схеми. Найбільш близьким аналогом до корисної моделі є несиметричний багаторівневий перетворювач частоти [Патент України на корисну модель 5 37698 №31075 Н02Р 27/04, опубл. 25.03.2008, Бюл. №6], який містить в кожній вихідній фазі три послідовно з'єднаних однофазних мостових інверторів напруги, кожний однофазний мостовий інвертор напруги складається з чотирьох ключів, трьох джерел, що підключені у діагональ постійного струму однофазних мостових інверторів напруги, напруга джерел першого однофазного мостового інвертора напруги U1=U мінімальна, напруга джерел другого і третього однофазних мостових інверторів напруги становлять відповідно U2=3U і U3=6U, вільні виводи діагоналі змінного струму першого і останнього однофазних мостових інверторів напруги утворюють відповідно початок і кінець фази несиметричного багаторівневого перетворювача частоти, початки фаз якого з'єднані між собою, кінці призначені для підключення навантаження, систему керування електроприводом, функціональний перетворювач, компаратор, на кожну фазу перемикач сигналів керування, блок керування, розподілювач імпульсів, блок дискретизації за рівнем, суматор, вихід компаратора з'єднано з входом керування перемикача сигналів керування, виходи якого з'єднані з входами керування ключів відповідних інверторів, перші виходи системи керування електроприводом з'єднані з другим входом суматора, другий і третій виходи системи керування електроприводом з'єднані з відповідними входами функціонального перетворювача, другий ви хід також з'єднано з входом компаратора, перший вихід функціонального перетворювача з'єднано з першим входом суматора, ви хід суматора з'єднано з першим входом завдання фазних напруг блока керування і блока дискретизації за рівнем, вихід якого з'єднано з входом розподілювача імпульсів, виходи якого з'єднані з першими входами перемикача сигналів керування, з другими входами якого з'єднані виходи блока керування, другий вхід блока керування з'єднано з другим виходом функціонального перетворювача. Перетворювач працює таким чином. Система керування забезпечує комбінований алгоритм формування вихідної напруги з використанням багаторівневої ШІМ при малих амплітудах вихідної напруги, при значній кількості рівнів здійснюється перехід до амплітудного регулювання з квантуванням за рівнем. Сигнал заданої амплітуди А з ви ходу системи керування електроприводом надходить до входу компаратору, що визначає алгоритм формування вихідної напруги. Його вихідний сигнал надходить до входу керування перемикачем сигналів керування, що здійснює перемикання імпульсів з виходу розподілювача імпульсів (при відносній амплітуді А≥3) або блока керування (при АA>2,4 попередньою модуляцією сигналу завдання третьою гармонікою, амплітуда якої задається згідно визначеній залежності від А, при амплітуді 1,8