Гібридний несиметричний багаторівневий перетворювач частоти

Гібридний несиметричний багаторівневий перетворювач, що містить джерело постійного струму з трьома рівнями напруги, що утворені розподільником на двох послідовно з'єднаних конденсаторах, спільна точка конденсаторів являє собою нульовий вивід джерела, джерело складається з двох послідовно згідно з'єднаних трифазних мостових випрямлячів, що живляться від двох ізольованих вторинних обмоток трансформатора, що з'єднані за схемами "трикутник" і "зірка", трирівневий трифазний інвертор напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами, кожна фаза якого має чотири послідовно згідно з'єднані ключі двобічної провідності, що складаються з повністю керованого тиристора або транзистора з паралельним зворотним діодом, катод діода першого ключа і анод діода останнього з'єднані відповідно з позитивним і негативним виводом джерела, анод діода другого ключа є вихідним виводом фази інвертора, а його катод з'єднано з катодом першого фіксуючого діода, катод діода четвертого ключа з'єднано з анодом другого фіксуючого діода, катод якого з'єднано з анодом першого фіксуючого діода і нульовим виводом джерела, до виходу кожної фази трирівневого інвертора підключено вивід діагоналі змінного струму однофазного мостового інвертора напруги, що складається з чотирьох ключів двобічної провідності, що містять в собі повністю керований тиристор або транзистор і паралельно включений зворотний діод, у діагональ постійного струму інверторів підключено конденсатор, вільні виводи діагоналі змінного струму однофазних інверторів призначені для підключення навантаження, значення напруги, що підтримується на конденсаторах трирівневого і однофазних інверторів, 2 (19) 1 3 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 з трьома рівнями напруги, що утворені розподілювачем на двох послідовно з'єднаних конденсаторах, спільна точка конденсаторів являє собою нульовий вивід джерела, джерело 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", випрямлячі підключено до конденсаторів через зарядні резистори, з контакторами, що їх замикають, трирівневий трифазний інвертор напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами, кожна фаза якого має чотири послідовно згідно з'єднаних ключі двобічної провідності, що складаються з повністю керованого тиристора або транзистора з паралельним зворотним діодом, катод діоду першого ключа і анод діоду останнього з'єднані відповідно з позитивним і негативним виводом джерела, анод діоду другого ключа є вихідним виводом фази інвертору, а його катод з'єднано з катодом першого фіксуючого діоду, катод діоду четвертого ключа з'єднано з анодом другого фіксуючого діоду, катод якого з'єднано з анодом першого фіксуючого діоду і нульовим виводом джерела, до виходу кожної фази трирівневого інвертору підключено вивід діагоналі змінного струму однофазного мостового інвертора напруги, що складається з чотирьох ключів двобічної провідності, що містять в собі повністю керований тиристор або транзистор і паралельно включений зворотний діод, у діагональ постійного струму інверторів підключено конденсатор, вільні виводи діагоналі змінного струму однофазних інверторів призначені для підключення навантаження, керуючі виводи ключів з'єднані з відповідними виводами блоку керування перетворювача, входи яких підключені до відповідних виходів прогнозуючого регулятора, вихідні сигнали якого поряд з сигналом завдання напруги основної фазної напруги містять спільні для різних фаз сигнали третьої та дев'ятої гармонік, вхід прогнозуючого регулятора з'єднано з виходом системи керування, що формує завдання амплітуди і частоти вихідної напруги перетворювача, значення напруги, що підтримується на конденсаторах трирівневого і однофазних інверторів співвідносяться як 3:1. Цей перетворювач має наступні недоліки. 1. У процесі формування вихідної напруги використовується ШІМ причому як для базового трирівневого так і однофазних інверторів, що обумов 50429 4 лює значні витрати енергії на перемикання ключів перетворювача. 2. Використання двох регулюючих параметрів (третя та дев'ята гармоніки) значно ускладнює систему керування і передбачає необхідність використання спеціального модельно-прогнозуючого регулятору для стабілізації напруги конденсаторів. Для заданого значення вихідної напруги відносно регулюючих параметрів існує множина рішень, яким відповідає різний гармонійний склад вихідної напруги. На визначення і аналіз цих рішень потрібен певний час, тому регулятор, в першу чергу, вирішує задачу стабілізації напруги. При цьому не вирішується задача покращення гармонійного складу вихідної напруги. Найбільш близьким аналогом до корисної моделі є гібридний несиметричний перетворювач частоти (далі - перетворювач) [Шавьолкін О.О., Уланов Р.В., Веретеннікова Т.Є. "Гібридний несиметричний багаторівневий перетворювач частоти" Патент України на корисну модель № 37697, МПК Н02Р 27/04, від 22.05.2008, опубл. 10.12.2008, Бюл. № 23], який містить джерело постійного струму з трьома рівнями напруги, що утворені розподілювачем на двох послідовно з'єднаних конденсаторах, спільна точка конденсаторів являє собою нульовий вивід джерела, джерело 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", випрямлячі підключено до конденсаторів через зарядні резистори, з контактами контактору, що їх замикають, трирівневий трифазний інвертор напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами, кожна фаза якого має чотири послідовно згідно з'єднаних ключі двобічної провідності, що складаються з повністю керованого тиристора або транзистора з паралельним зворотним діодом, катод діоду першого ключа і анод діоду останнього з'єднані відповідно з позитивним і негативним виводом джерела, анод діоду другого ключа є вихідним виводом фази інвертору, а його катод з'єднано з катодом першого фіксуючого діоду, катод діоду четвертого ключа з'єднано з анодом другого фіксуючого діоду, катод якого з'єднано з анодом першого фіксуючого діоду і нульовим виводом джерела, до виходу кожної фази трирівневого інвертору підключено вивід діагоналі змінного струму однофазного мостового інвертора напруги, що складається з чотирьох ключів двобічної провідності, що містять в собі повністю керований тиристор або транзистор і паралельно включений зворотний діод, у діагональ постійного струму інверторів підключено конденсатор, вільні виводи діагоналі змінного струму однофазних інверторів призначені для підключення навантаження, керуючі виводи ключів з'єднані з відповідними виводами блоку керування перетворювача, значення напруги, що підтримується на конденсаторах трирівневого і однофазних інверторів співвідносяться як 3:1, систему керування електроприводом, що формує завдання амплітуди і частоти вихідної напруги перетворювача, суматор, функціональний перетворювач, 5 фільтр, релейний регулятор, компаратор, другий і третій виходи системи керування електроприводу, на яких формуються відповідно сигнал заданої амплітуди і синусоїда потроєної до заданої частоти з'єднані з першим і другим входами функціонального перетворювача, перший з них також з'єднано з входом компаратору, перший вихід функціонального перетворювача з'єднано з першим входом суматору, другий вхід якого з'єднано з першим виходом системи керування електроприводом, на якому формується трифазна система синусоїдальних напруг, амплітуда і частота, яких відповідає завданню на вихідну напругу фаз перетворювача, і третім входом функціонального перетворювача, вихід суматору з'єднано з входом завдання фазних напруг блока керування, другий вхід якого яких з'єднано з другим виходом функціонального перетворювача, третій вхід блока керування з'єднано з виходом компаратора, входи керування функціонального перетворювача підключено до відповідних виходів релейного регулятору, перший вхід якого через фільтр підключено до конденсатору однофазного інвертора однієї з фаз перетворювача. Перетворювач працює таким чином. Попереднє заряджання конденсаторів схеми здійснюється від джерела постійного струму трирівневого інвертора через зарядні резистори і коло навантаження. При цьому трирівневий інвертор працює у режимі 6-ти тактного перемикача з вихідною напругою ±3U, однофазні інвертори перемикаються у протифазі таким чином, що їх напруга віднімається. Це відповідає передаванню енергії у коло постійного струму і заряджанню конденсаторів. По завершенні заряду зарядні резистори шунтуються контакторами. Система регулювання побудована з використанням одного регулюючого параметру - в залежності від значення амплітуди вихідної напруги це амплітуда третьої гармоніки або коефіцієнт послаблення ШІМ. При цьому використовуються наперед визначені залежності регулюючого параметру від амплітуди вихідної напруги. Таким чином може вирішуватися задача забезпечення якості з заданим гармонійним складом. Релейний регулятор у межах визначених залежностей лише підтримує напругу на конденсаторі з заданим відхиленням. Цей перетворювач має наступні недоліки. 1. У процесі формування вихідної напруги використовується ШІМ причому як для базового трирівневого так і однофазних інверторів, що обумовлює значні витрати енергії на перемикання ключів перетворювача. 2. Використання одного регулюючого параметру зменшує можливість формування вихідної напруги з мінімальним коефіцієнтом гармонік. 3. Використання релейного регулятора з контролем напруги конденсатору одної фази перетворювача недостатньо для підтримання напруги у всіх фазах особливо в динаміці при регулюванні частоти і амплітуди вихідної напруги та ін. У корисній моделі поставлена задача підвищення енергетичних показників перетворювача і електроприводу в цілому. Це досягається: 50429 6 1. Зменшенням кількості перемикань ключів інверторів до мінімуму і зменшенням відповідних витрат енергії на перемикання. 2. Використанням залежностей регулюючих параметрів, коли забезпечується режим роботи однофазних інверторів без передавання активної потужності, що визначені за умови досягнення мінімального коефіцієнту гармонік вихідної напруги. 3. Забезпеченням попереднього заряджання конденсаторів без додаткового обладнання при відсутності обертаючого моменту двигуна. 4. Використанням релейних регуляторів, що контролюють напругу конденсаторів у всіх фазах перетворювача забезпечується стабілізація напруги як у сталих режимах так і у динаміці. Поставлена задача вирішується тим, що гібридний несиметричний багаторівневий перетворювач, містить джерело постійного струму з трьома рівнями напруги, що утворені розподілювачем на двох послідовно з'єднаних конденсаторах, спільна точка конденсаторів являє собою нульовий вивід джерела, джерело складається з двох послідовно згідно з'єднаних трифазних мостових випрямлячів, що живляться від двох ізольованих вторинних обмоток трансформатору, що з'єднані за схемами "трикутник" і "зірка", трирівневий трифазний інвертор напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами, кожна фаза якого має чотири послідовно згідно з'єднаних ключі двобічної провідності, що складаються з повністю керованого тиристора або транзистора з паралельним зворотним діодом, катод діоду першого ключа і анод діоду останнього з'єднані відповідно з позитивним і негативним виводом джерела, анод діоду другого ключа є вихідним виводом фази інвертору, а його катод з'єднано з катодом першого фіксуючого діоду, катод діоду четвертого ключа з'єднано з анодом другого фіксуючого діоду, катод якого з'єднано з анодом першого фіксуючого діоду і нульовим виводом джерела, до виходу кожної фази трирівневого інвертору підключено вивід діагоналі змінного струму однофазного мостового інвертора напруги, що складається з чотирьох ключів двобічної провідності, що містять в собі повністю керований тиристор або транзистор і паралельно включений зворотний діод, у діагональ постійного струму інверторів підключено конденсатор, вільні виводи діагоналі змінного струму однофазних інверторів призначені для підключення навантаження, значення напруги, що підтримується на конденсаторах трирівневого і однофазних інверторів співвідносяться як 3:1, систему керування електроприводом, що на першому виході формує трифазну систему синусоїдальних напруг, амплітуда і частота, яких відповідає завданню на вихідну напругу фаз перетворювача, суматор, функціональний перетворювач, фільтр, релейний регулятор, другий і третій виходи системи керування електроприводом, на яких формуються відповідно сигнал заданої амплітуди і синусоїда потроєної до заданої частоти з'єднані з першим і другим входами функціонального перетворювача, перший вихід функціонального перетворювача з'єднано з першим входом суматору, другий вхід якого з'єднано з 7 першим виходом системи керування електроприводом, вхід релейного регулятору через фільтр підключено до конденсатору однофазного інвертора однієї з фаз перетворювача відповідно до корисної моделі перетворювач додатково вміщує блок формування імпульсів керування, два фільтри, два релейних регулятори, суматор має додатковий вхід, система керування електроприводом має додатковий вихід, на якому формується синусоїда з частотою, що в дев'ять разів вище заданої частоти, а також додаткові вихід і вхід керування, функціональний перетворювач має додатковий вхід, що з'єднано з додатковим виходом системи керування електроприводом, другий вихід функціонального перетворювача з'єднано з додатковим входом суматору, вихід суматору з'єднано з входом завдання блока формування імпульсів керування, виходи якого з'єднані з керуючими виводами ключів фази перетворювача, вхід і вихід керування блока формування імпульсів керування з'єднано, відповідно, з виходом і входом керування системи керування електроприводом, входи керування функціонального перетворювача підключено до виходів релейного регулятору відповідної фази, входи додаткових релейних регуляторів через додаткові фільтри підключено до конденсаторів однофазних інверторів другої і третьої фаз перетворювача, вільні виводи випрямлячів згідно їх полярності підключено до позитивного і негативного виводів джерела. Введення у схему додаткових фільтрів і релейних регуляторів для кожної фази перетворювача забезпечує підтримання напруги на конденсаторах у всіх фазах у замкненій системі регулювання. Введення блоку формування імпульсів керування, корегування функцій системи керування електроприводом і функціонального перетворювача з використанням визначених залежностей для регулюючих параметрів забезпечує змінювання алгоритму роботи інверторів, що дозволяє зменшити витрати енергії у ключах перетворювача та двигуні за рахунок покращення гармонійного складу вихідної напруги. Запропоновані ознаки дозволяють покращити енергетичні показники електроприводу при підтриманні напруги на конденсаторах з заданим відхиленням у сталих і несталих режимах роботи. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями: - фіг. 1 - функціональна схема гібридного несиметричного багаторівневого перетворювача частоти; На фіг. 1 представлені: система керування електроприводом 1, функціональний перетворювач 2, суматор 3, блок формування імпульсів керування 4, фільтри 5, релейні регулятори 6, однофазний інвертор 7, трирівневий трифазний інвертор 8, трифазні мостові випрямлячі 9, 10, конденсатор однофазного інвертору 11, конденсатори ємнісного розподілювача напруги 12, 13, вхідний трансформатор з двома комплектами вторинних обмоток 14, двигун змінного струму 15. Гібридний несиметричний багаторівневий перетворювач частоти працює таким чином. 50429 8 Попереднє заряджання конденсаторів однофазних інверторів 11 здійснюється від джерела постійного струму трирівневого інвертора через коло навантаження. Двигун 15 використовується у режимі динамічного гальмування і в його обмотках протікає постійний струм. При цьому одно плече (фаза А) трирівневого інвертору 8 працює у режимі знижуючого імпульсного перетворювача постійної напруги з ШІМ, середнє значення його вихідної напруги UC 3U , два інших плеча мають нульову напругу. В свою чергу змінюється за лінійним законом =at. Однофазний інвертор 7 у фазі А працює у режимі, коли його напруга + U або 0, однофазні інвертори в інших фазах у режимі - U, таким чином, через відповідні ключі конденсатори фаз В і С включені паралельно и послідовно з конденсатором фази А. Заряджання здійснюється у два етапи: При наявності на керуючому виході системи керування електроприводом сигналу "Пуск" Р=1 заряджаються конденсатори у паралельних гілках (фази В і С), відповідно, сигнали завдання однофазних інверторів u7В=u7C=-1. Однофазний інвертор у фазі, що включена послідовно, працює у режимі u7A=0. Сигнал завдання для плеча фази А трирівневого інвертору 8 формується ШІМ генератором, як послідовність однополярних імпульсів, коефіцієнт заповнення яких . При досягненні напруги на конденсаторах фаз В і С значення U/2 (U - задане значення напруги) здійснюється заряджання конденсатора у фазі А (u7А=1) і дозаряджання конденсаторів у паралельних гілках (u7В=u7C=-1). При досягненні напруги на конденсаторах фаз В і С значення U (при однаковій ємності конденсатор фази А також встигає зарядитися, оскільки його струм заряджання у два рази більший) на виході керування блока формування імпульсів керування 4 формується сигнал дозволу R=1, і здійснюється перехід перетворювача у робочий режим. Синусоїдальна напруга A sin t заданої амплітуди А і частоти з виходу системи керування електроприводом 1 надходить до одного з входів суматора 3. Функціональний перетворювач 2, на входи якого з відповідних виходів системи керування електроприводом 1 надходять сигнали А, sin(3 t) і sin(9 t), формує на першому виході напругу A3sin (3 t), а на другому A9sin(9 t). Значення А3 і А9 визначаються певними залежностями від А за умови, що перша гармоніка вихідної напруги однофазного інвертора дорівнює нулю і передавання активної потужності інвертором відсутнє. При цьому із можливих рішень А3 і А9 для кожного А обрані значення, що забезпечують мінімальний коефіцієнт гармонік вихідної напруги. Напруги A3sin(3 t) і A9sin(9 t) з виходу функціонального перетворювача 2 надходять до входів суматора 3. Вихідна напруга суматора uЗАД =( A sin t + A3sin(3 t)+A9sin(9 t)) надходить до входу блоку формування імпульсів керування 4, який реалізує алгоритм квантування за середнім рівнем. Для одної фази його можна звести до на 9 50429 ступного. Згідно uЗАД за допомогою компаратора (порівняння з 0) отримуємо функцію sign(uЗАД). Напруга uЗАД перетворюється до одної полярності u1ЗАД = uЗАД sign(uЗАД). За допомогою набору 1 компараторів u ЗАД порівнюється з рівнями квантування UКВІ =0.5, 1.5, 2.5, 3.5. При u1ЗАД > UКВІ напру_ u7 10 га компаратора дорівнює 1, у противному випадку 0. Позначимо напруги компараторів відповідно рівням квантування (U0.5, U1,5 i т.д.) тоді для напруг фаз трирівневого 8 і однофазного 7 інверторів отримуємо: _ U0,5 U1,5 U1,5 U2,5 U3,5 signuЗАД , u8 Згідно u7 і u8 формуються імпульси керування на відповідні ключі інверторів. Підтримання напруги у колі постійного струму однофазних інверторів у робочому режимі здійснює замкнена за напругою система керування з релейним регулятором у кожній фазі перетворювача. Релейний регулятор 6 має два виходи і два стани, коли напруга менша U U сигнал "1" присутній на першому виході, що передбачає негативне значення прирощення першої гармоніки вихідної напруги - U1(1) однофазного інвертору, коли енергія надходить у коло постійного струму і конденсатор заряджається із зростанням напруги. Якщо напруга стає більше U U сигнал "1" присутній на другому виході, що передбачає позитивне значення прирощення U(1) , коли енергія надходить з кола постійного струму у коло змінного і конденсатор розряджається із зменшенням напруги. Фільтри 6 забезпечують додаткове згладжу 3U1,5 signuЗАД , вання пульсацій напруги конденсаторів однофазних інверторів 11. Виходи релейного регулятора 6 кожної з фаз перетворювача з'єднано з входами керування функціонального перетворювача 2, що здійснює змінювання вихідних регулюючих параметрів (амплітуда третьої та дев'ятої гармонік А3, А9) згідно визначеним залежностям A3=f(A), A9=f(A), що забезпечує відповідне прирощення першої гармоніки вихідної напруги ± U1(1) відносно нульового значення. При цьому робота кожної фази перетворювача визначається власним релейним регулятором згідно загальним залежностям A3=f(A), A9=f(A) і здійснюється незалежно від інших. Застосування запропонованої корисної моделі дозволяє зменшити витрати енергії у ключах перетворювача та двигуні, що сприяє покращенню енергетичних показників електроприводу та спрощенню силових кіл перетворювача. 11 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 50429 Підписне 12 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