Гібридний несиметричний багаторівневий перетворювач частоти

Гібридний несиметричний багаторівневий перетворювач частоти, що містить джерело з трьома рівнями напруги, що утворені розподільником напруги на двох послідовно з'єднаних конденсаторах, спільна точка конденсаторів розподільника напруги являє собою нульовий вивід джерела постійного струму з трьома рівнями напруги, яке складається з двох послідовно з'єднаних трифазних мостових випрямлячів, що живляться від двох ізольованих вторинних обмоток трансформатора, що з'єднані за схемами "трикутник" і "зірка", трифазні мостові випрямлячі підключено до конденсаторів розподільника напруги через зарядні резистори, з контакторами, що їх замикають, при цьому трифазний трирівневий 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, анод зворотного діода першого ключа двобічної провідності і катод зворотного діода останнього з'єднані відповідно з негативним і позитивним виводами джерела постійного струму з трьома рівнями напруги, анод зворотного діода другого ключа двобічної провідності є вихідним виводом фази трифазного трирівневого інвертора напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами, а його катод з'єднано з катодом першого фіксуючого діода, катод зворотного діода четвертого ключа двобічної провідності з'єд 2 (19) 1 3 Винахід відноситься до області електротехніки і може бути використаний в автоматизованому електроприводі для частотного керування електродвигунами змінного струму, а також для інших споживачів електроенергії змінного струму регульованої частоти. Відомий 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 джерело постійного струму (далі - джерело) з трьома рівнями напруги, що утворені розподілювачем напруги на двох послідовно з'єднаних конденсаторах, спільна точка конденсаторів розподілювача 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", трифазний трирівневий інвертор напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами, кожна фаза якого має 4 послідовно згідно з'єднаних ключів двобічної провідності, що складаються з повністю керованого тиристора або транзистора з паралельним зворотним діодом (далі - ключ), анод зворотного діоду першого ключа і катод зворотного діоду останнього з'єднані відповідно з негативним і позитивним виводом джерела з трьома рівнями напруги, анод зворотного діоду другого ключа призначений для підключення фази навантаження, 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, керуючі виводи ключів схеми з'єднані з відповідними виводами блоку керування перетворювача, входи яких підключені до відповідних виходів системи керування, що формують завдання амплітуди і частоти вихідної напруги багаторівневого перетворювача частоти. Багаторівневий перетворювач частоти працює таким чином. Вихідна напруга на фазах навантаження формується підключенням їх до відповідних виводів джерела, що досягається вмиканням відповідних ключів схеми багаторівневого перетворювача частоти, імпульси керування ключами формуються блоком керування перетворювача згідно заданим значенням амплітуди і частоти вихідної напруги багаторівневого перетворювача частоти. Цей багаторівневий перетворювач частоти має наступний недолік. При трьох рівнях напруги фази багаторівневого перетворювача частоти має гармонійний склад, що обумовлює необхідність використання вихідних фільтрів. Найбільш близьким аналогом до винаходу є гібридний несиметричний багаторівневий перетворювач частоти (далі - перетворювач) [Martin 92619 4 Veenstra, Alfred Rufer, Control of a Hybrid Asymmetric Multilevel Inverter for Competitive Medium-Voltage Industrial Drives. Ieee transactions on industry applications, Vol. 41, №2, March / April 2005., p.655-664.], що містить джерело з трьома рівнями напруги, що утворені розподілювачем напруги на двох послідовно з'єднаних конденсаторах, спільна точка конденсаторів розподілювача 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 ключі, анод зворотного діоду першого ключа і катод зворотного діоду останнього з'єднані відповідно з негативним і позитивним виводом джерела з трьома рівнями 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 виходу 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, виводи, що керують ключами трифазних трирівневих інверторів напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами і однофазних мостових інверторів напруги з'єднані з відповідними виводами блоку керування перетворювача, входи яких підключені до відповідних виходів регулятора, що прогнозує, входи якого з'єднано з виходом системи керування. Перетворювач працює таким чином. Оскільки однофазні мостові інвертори напруги не мають джерел, схема передбачає попередній заряд конденсаторів однофазних мостових інверторів напруги до вмикання перетворювача. Попереднє заряджання конденсаторів схеми здійснюється від джерела інвертора напруги через зарядні резистори і коло навантаження. При цьому трифазний трирівневий інвертор напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами працює у режимі 6ти-тактного перемикача з вихідною напругою ±3U, однофазні мостові інвертори напруги перемикаються у протифазі таким чином, 5 що їх напруга віднімається. Це відповідає передаванню енергії у коло постійного струму і заряджанню конденсаторів схеми перетворювача. По завершенні заряду конденсаторів перетворювача, зарядні резистори шунтуються контакторами. Значення напруги, що підтримується на конденсаторах розподілювача напруги і конденсаторів однофазного мостового інвертора напруги співвідносяться як 3:1. Сигнал завдання для кожної фази перетворювача формується регулятором, що прогнозує, як сума гармонік, що кратні основній uЗАД=Аsin t+A3sin(3 t)+А9sin(9 t) і подається на відповідні входи блоку керування, який формує імпульси керування на ключі трифазних трирівневих 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 з використанням багаторівневої ШІМ. Регулятор, що прогнозує згідно струму навантаження і відповідно визначеним математичним залежностям моделює процес заряджання конденсатору і розраховує поточні значення амплітуди гармонік A3 і A9 за умовою підтримання напруги на конденсаторах однофазного мостового інвертора напруги постійною з певним відхиленням. Кількість рівнів (сходинок) у кожній напівхвилі фазної вихідної напруги перетворювача при максимальному її значенні дорівнює n=(3U+U)/U=4. При цьому фазна вихідна напруга відповідної сходинки визначається складанням або відніманням напруг інверторів схеми. Цей перетворювач має наступні недоліки. 1. Обмежений діапазон регулювання напруги (у межах 1.5U-3.5U), коли забезпечується підтримання режиму роботи однофазних мостових інверторів напруги за рахунок введення третьої та дев'ятої гармонік, це ускладнює реалізацію частотного керування і пуску двигуна. 2. Використання двох регулюючих параметрів (третя та дев'ята гармоніки) значно ускладнює систему керування і передбачає необхідність використання спеціального модельнопрогнозуючого регулятору для стабілізації напруги конденсаторів схеми. Ознаки найближчого аналогу, які збігаються з ознаками винаходу, що заявляється: джерело з трьома рівнями напруги, що утворені розподілювачем напруги на двох послідовно з'єднаних конденсаторах, спільна точка конденсаторів розподілювача напруги являє собою нульовий вивід джерела постійного струму з трьома рівнями напруги, яке 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, при цьому трифазний трирівневий інвертор напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами, кожна фаза якого має чотири пос 92619 6 лідовно згідно з'єднаних ключів двобічної провідності, що складаються з повністю керованого тиристора або транзистора з паралельним зворотним діодом, анод зворотного діоду першого ключа двобічної провідності і катод зворотного діоду останнього з'єднані відповідно з негативним і позитивним виводами джерела постійного струму з трьома рівнями напруги, анод зворотного діоду другого ключа двобічної провідності 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 двобічної провідності з'єднано з анодом другого фіксуючого діоду, катод якого з'єднано з анодом першого фіксуючого діоду і нульовим виводом джерела постійного струму з трьома рівнями напруги, до виходу 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 двобічної провідності, що складаються з повністю керованого тиристора або транзистора з паралельним зворотним діодом, 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 трифазних трирівневих інверторів напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами і однофазних мостових інверторів напруги кожної фази з'єднані з відповідними виводами блоку керування перетворювача, систему керування. У винаході поставлена задача підвищення енергетичних показників перетворювача і електроприводу в цілому. За рахунок удосконалення схеми перетворювача, нових ознак та їх з'єднання забезпечується розширення діапазону регулювання напруги у бік зменшення нижньої межі, що дає можливість здійснення частотного пуску з плавним регулюванням частоти, що призводить до підвищення енергетичних показників перетворювача і електроприводу в цілому при спрощенні реалізації системи керування електроприводом. Поставлена задача вирішується тим, що перетворювач, що містить джерело з трьома рівнями напруги, що утворені розподілювачем напруги на двох послідовно з'єднаних конденсаторах, спільна точка конденсаторів розподілювача напруги являє собою нульовий вивід джерела постійного струму з трьома рівнями напруги, яке 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, при цьому трифазний трирівневий інвертор напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами, кожна фаза якого має чотири послідовно згідно з'єднаних ключів двобічної провідності, що 7 складаються з повністю керованого тиристора або транзистора з паралельним зворотним діодом, анод зворотного діоду першого ключа двобічної провідності і катод зворотного діоду останнього з'єднані відповідно з негативним і позитивним виводами джерела постійного струму з трьома рівнями напруги, анод зворотного діоду другого ключа двобічної провідності 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 двобічної провідності з'єднано з анодом другого фіксуючого діоду, катод якого з'єднано з анодом першого фіксуючогодіоду і нульовим виводом джерела постійного струму з трьома рівнями напруги, до виходу 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 двобічної провідності, що складаються з повністю керованого тиристора або транзистора з паралельним зворотним діодом, 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 трифазних трирівневих інверторів напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами і однофазних мостових інверторів напруги кожної фази з'єднані з відповідними виводами блоку керування перетворювача, систему керування, відповідно до винаходу додатково вміщує суматор, функціональний перетворювач, фільтр, релейний регулятор, компаратор, систему керування електроприводом, що має два додаткових виходи, які з'єднані з першим і другим входами функціонального перетворювача, другий з них також з'єднано з входом компаратору, перший вихід функціонального перетворювача з'єднано з першим входом суматора, другий вхід якого з'єднано з виходом системи керування електроприводом і третім входом функціонального перетворювача, вихід суматора з'єднано з входом завдання фазних напруг блока керування, що має три додаткових входи, перший і другий з яких з'єднано відповідно з другим і третім виходами функціонального перетворювача, третій додатковий вхід блока керування з'єднано з виходом компаратора, входи керування функціонального перетворювача підключено до відповідних виходів релейного регулятора, перший вхід якого через фільтр підключено до конденсатору однофазного інвертора однієї з фаз перетворювача. Введення у схему додаткових суматора, компаратора, функціонального перетворювача і корегування функцій блока керування забезпечує згідно визначеним залежностям використання одного параметра регулювання для стабілізації напруги конденсатора однофазного мостового інвертора напруги. Введення у схему додаткових фільтра і релейного регулятора забезпечує підтримання на 92619 8 пруги конденсатора однофазного мостового інвертора напруги у замкненій системі регулювання. Корегування функцій блока керування забезпечує зміну алгоритму роботи інверторів схеми, що дозволяє розширити діапазон регулювання напруги перетворювача у бік зменшення нижньої межі. Запропоновані ознаки дозволяють розширити діапазон регулювання вихідної напруги перетворювача при підтриманні напруги на конденсаторах з заданим відхиленням, що забезпечує можливість частотного пуску з плавним регулюванням частоти. Суть винаходу пояснюється кресленням. На Фіг. представлена функціональна схема гібридного несиметричного багаторівневого перетворювача частоти, де система керування електроприводом 1, функціональний перетворювач 2, компаратор 3, блок керування 4, суматор 5, релейний регулятор 6, фільтр 7, однофазний мостовий інвертор напруги 8, трифазний трирівневий інвертор напруги з нульовим виводом і фіксуючими діодами 9, зарядні резистори 10, 11, контактори контактору 12, 13, трифазні мостові випрямлячі 14, 15, конденсатор однофазного мостового інвертора напруги 16, конденсатори розподілювача напруги 17, 18, вхідний трансформатор з двома комплектами вторинних обмоток 19, трифазне навантаження - двигун змінного струму 20. Перетворювач працює таким чином. Попереднє заряджання конденсаторів схеми 16, 17, 18 здійснюється від трифазних мостових випрямлячів 14, 15 через зарядні резистори 10, 11 і коло навантаження 20. Слід зазначити, що трифазні мостові випрямлячі 14, 15 живляться від двох вторинних обмоток вхідного трансформатора 19. По завершенні заряду конденсаторів схеми 16, 17, 18, зарядні резистори 10, 11 шунтуються контактами контактору 12, 13. Синусоїдальна напруга Аsin t заданої амплітуди А і частоти з виходу системи керування електроприводом 1 надходить до одного з входів суматора 5. Функціональний перетворювач 2, на входи якого з відповідних додаткових виходів системи керування електроприводом 1 надходять сигнали А і sin(3 t), формує на першому виході напругу A3sin(3 t), а на другому сигнал, що пропорційний k (kА>1,5 і А>2,4 здійснюється попередня модуляція сигналу завдання третьою гармонікою, амплітуда якої задається згідно визначеній залежності від А. У діапазоні 1,8