Гібридний несиметричний багаторівневий перетворювач частоти

Гібридний несиметричний багаторівневий перетворювач, що містить 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, на кожну вихідну фазу два послідовно з'єднаних однофазних мостових інвертори, які складаються з чотирьох ключів, вільний вивід діагоналі змінного струму першого однофазного інвертора утворює вихід фази перетворювача частоти, що призначений для підключення навантаження, розподілювач напруги на двох послідовно з'єднаних конденсаторах, спільна точка конденсаторів являє собою нульовий вивід джерела, два джерела з'єднані послідовно згідно, катод діода першого і анод діода останнього ключа фаз трирівневого трифазного інвертора з'єднані відповідно з позитивним і негативним виводом конденсаторів розподілювача напруги, анод діода другого ключа фази трирівневого трифазного інвертора 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 трифазного інвертора підключено вільні виводи діагоналі змінного струму другого однофазного мостового інвертора напруги, у діагональ постійного струму однофазних інверторів підключено конденсатор, систему керування електроприводом, функціональний перетворювач, розподілювач імпульсів, блок керування попереднім заряджанням, перемикач сигналів керування, суматор, блок дискретизації за рівнем, виходи перемикача сигналів керування з'єднані з входами керування ключів відповідних інверторів у фазах 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) [Патент України на корисну модель №31075 Н02Р27/04, опубл.25.03.2008, Бюл. №6], який містить в кожній вихідній фазі три послідовно з'єднаних однофазних мостових інвертори, кожний інвертор складається з чотирьох ключів, три джерела постійного струму, що підключені у діагональ постійного струму інверторів, напруга джерела першого інвертора U1=U мінімальна, напруга другого і третього джерел становлять відповідно U2=3U і U3=6U, 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, 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 на яких формуються синусоїдальні сигнали заданої амплітуди і частоти, зсув між якими для трифазного перетворювача частоти складає 2 / 3 з'єднані з другим входом суматору, на другому і третьому виходах системи керування електроприводом формуються відповідно сигнал заданої амплітуди і синусоїда потроєної до заданої частоти, вони з'єднані з відповідними входами функціонального перетворювача, другий вихід також з'єднано з входом компаратору, перший вихід функціонального перетворювача з'єднано з першим входом суматора, вихід 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. Цей перетворювач має наступні недоліки. 1. У процесі формування вихідної напруги використовується ШІМ, що збільшує витрати енергії на перемикання ключів перетворювача. 2. Велика кількість джерел, що при живленні від мережі змінного струму містять трифазний мостовий випрямляч і комплект вторинних обмоток. Це обумовлює додаткові витратиенергії у їх колах і ускладнює конструкцію вхідного трансформатору. 3. Використання однофазних інверторів обумовлює виникнення субгармонійних складових змінного струму, що споживається випрямлячем. 4. Навантаження інверторів у фазі перетворювача суттєво відрізняється, що ускладнює компен 50428 4 сацію вищих гармонік струму, що споживається з мережі змінного струму. Найбільш близьким аналогом до корисної моделі є гібридний несиметричний багаторівневий перетворювач частоти (далі - перетворювач) [Патент України на корисну модель №37698, МПК Н02Р7/00, опубл. 10.12.2008, Бюл. №23], який містить 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, на кожну вихідну фазу два послідовно з'єднаних однофазних мостових інвертори, які складаються з чотирьох ключів, джерело постійного струму з напругою U2=3U, негативний вивід якого підключено до негативного виводу діагоналі постійного струму другого з однофазних інверторів, вільний вивід діагоналі змінного струму першого однофазного інвертора утворює вихід фази перетворювача частоти, що призначений для підключення навантаження, два зарядних резистори, контактор з п'ятьма контактами, розподілювач напруги на двох послідовно з'єднаних конденсаторах, спільна точка конденсаторів являє собою нульовий вивід джерела, два джерела з напругою U3=6U з'єднані послідовно згідно, позитивний вивід першого з них і негативний другого підключено до конденсаторів через зарядні резистори, паралельно яким включені перший і другий контакти контактору, катод діода першого і анод діода останнього ключа фаз трирівневого трифазного інвертора з'єднані відповідно з позитивним і негативним виводом конденсаторів розподілювача напруги, анод діода другого ключа фази трирівневого трифазного інвертора є вихідним виводом фази інвертору, 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 трифазного інвертору підключено вільні виводи діагоналі змінного струму другого однофазного мостового інвертора напруги, у кожній фазі позитивний вивід джерела з напругою U2=3U підключено до позитивного виводу діагоналі постійного струму другого з однофазних інверторів через контакт контактору, у діагональ постійного струму однофазних інверторів підключено конденсатор, систему керування електроприводом, функціональний перетворювач, компаратор, розподілювач імпульсів, блок керування, блок керування попереднім заряджанням, перемикач сигналів керування, фільтр, релейний регулятор, вхід якого через фільтр підключено до конденсатору першого однофазного інвертора однієї з фаз перетворювача, суматор, блок дискретизації за рівнем, вихід компаратора з'єднано з входом керування перемикача сигналів керування, виходи якого з'єднані з входами керування ключів відповідних інверторів у фазах перетворювача, перші виходи системи керування електроприводом на яких формуються синусоїдальні сигнали заданої амплітуди і частоти, зсув між якими для трифазного перетворювача 5 50428 6 блока керування (дворівнева ШІМ), або блока кечастоти складає 2 / 3 з'єднані з другим входом рування попереднім заряджанням. суматору, на другому і третьому виходах системи Підтримання напруги у колі постійного струму керування електроприводом формуються відповіпершого з однофазних інверторів у робочому редно сигнал заданої амплітуди і синусоїда потроєжимі здійснює замкнена за напругою система кеної до заданої частоти, вони з'єднані з відповіднирування з релейним регулятором. Релейний регуми входами функціонального перетворювача, лятор має два виходи і два стани, коли напруга другий вихід заданої амплітуди також з'єднано з входом компаратору, перший вихід функціональменша U U сигнал "1" присутній на першому ного перетворювача з'єднано з першим входом виході, що передбачає негативне значення присуматора, вихід суматора з'єднано з першим вхорощення першої гармоніки вихідної напруги - U1 1 дом завдання фазних напруг блока керування і першого з однофазних інверторів, коли енергія блока дискретизації за рівнем, вихід якого з'єднано надходить у коло постійного струму і конденсатор з входом розподілювача імпульсів, виходи якого заряджається із зростанням напруги. Якщо напруз'єднані з першими входами перемикача сигналів га стає більше U керування, з другими входами якого з'єднані вихоU сигнал "1" присутній на ди блока керування, другий вхід блока керування другому виході, що передбачає позитивне значенз'єднано з другим виходом функціонального переня прирощення + U1 1 , коли енергія надходить з творювача, треті входи перемикача сигналів керукола постійного струму у коло змінного і конденсавання з'єднані з відповідними виходами блока кетор розряджається із зменшенням напруги. Фільтр рування попереднім заряджанням, четвертий забезпечує додаткове згладжування пульсацій вихід системи керування електроприводом, на напруги конденсатора. якому формується сигнал завдання режиму попеВиходи релейного регулятора з'єднано з вхореднього заряджання з'єднано з входом блока дами керування функціонального перетворювача, керування попереднім заряджанням, другий вхід що здійснює змінювання вихідних регулюючих якого з'єднано з конденсатором першого інвертопараметрів (амплітуда третьої гармоніки А3 і коеру, входи керування функціонального перетворюфіцієнт послаблення к) згідно визначеним залежвача підключено до відповідних виходів релейного ностям, що забезпечує відповідне прирощення регулятору. першої гармоніки вихідної напруги ± U1 1 відносЦей перетворювач частоти працює таким чином. но нуля. Цей перетворювач має наступні недоліки. Перші інвертори у фазах не мають джерела 1. У процесі формування вихідної напруги виживлення. Заряд конденсатора у колі постійного користовується ШІМ, що збільшує витрати енергії струму інвертора до напруги U забезпечується на на перемикання ключів перетворювача. етапі попереднього заряджання до переходу пере2. Велика кількість джерел, що при живленні творювача у робочий режим, що визначає система від мережі змінного струму містять трифазний мокерування електроприводом подачею відповідного стовий випрямляч і комплект вторинних обмоток. сигналу на блок керування попереднім заряджанЦе обумовлює додаткові витрати енергії в їх колах ням. і ускладнює конструкцію вхідного трансформатору. Попереднє заряджання конденсаторів схеми 3. Використання однофазних інверторів обуздійснюється від джерел постійного струму трирівмовлює виникнення субгармонійних складових невого інвертора разом з його конденсаторами змінного струму, що споживається випрямлячем. через зарядні резистори і коло навантаження. При 4. Використання релейного регулятора з контцьому джерела від других інверторів відключаютьролем напруги конденсатору одної фази перетвося. Трирівневий інвертор працює у режимі 6-ти рювача недостатньо для підтримання напруги у тактного перемикача з вихідною напругою ±6U, всіх фазах особливо в динаміці при регулюванні однофазні інвертори перемикаються у протифазі частоти і амплітуди вихідної напруги та ін. таким чином, що їх напруга віднімається. Це від5. Попереднє заряджання конденсаторів інповідає передаванню енергії у коло постійного верторів передбачає використання додаткового струму і заряджанню конденсаторів. Заряджання обладнання і формування змінного струму у обмоздійснюється у три етапи: попереднє заряджання тках двигуна, що обумовлює можливість утворенконденсатору першого інвертору, що має найбіня обертального моменту. льшу ємність; одночасне заряджання всіх конденУ корисній моделі поставлена задача підвисаторів до повного заряду конденсатору першого і щення енергетичних показників перетворювача і другого інвертору, що завершується досягненням електроприводу в цілому. Це досягається: напруги конденсатору першого інвертору до зна1. Покращенням гармонійного складу вихідної чення U; остаточне заряджання конденсаторів на напруги за рахунок зміни співвідношення напруг вході трирівневого трифазного інвертору. По завеінверторів і, відповідно, збільшення кількості рівнів ршенні заряду зарядні резистори замикаються напруги, що забезпечує зменшення витрат енергії контактами контактору і також замикається кону двигуні. такт, що підключає джерело до другого інвертору. 2. Зменшенням кількості перемикань ключів Зміна алгоритму роботи перетворювача здійсінверторів до мінімуму за рахунок виключення ШІМ нюється за сигналом компаратора за допомогою і зменшенням відповідних витрат енергії на їх пеперемикача сигналів керування і до входів керуремикання. вання ключів інверторів надходять імпульси з роз3. Покращенням гармонійного складу струму, поділювача імпульсів (квантування за рівнем) або щоспоживається перетворювачем при живленні 7 50428 8 його від джерела змінного струму за рахунок виз'єднано з входом розподілювача імпульсів, вихоключення субгармонійних складових. ди якого з'єднані з першими входами перемикача 4. Зменшенням кількості джерел постійного сигналів керування, треті входи перемикача сигструму і за рахунок зменшення кількості контактналів керування з'єднані з відповідними виходами них з'єднань і з'єднувальних дротів, відповідно, блока керування попереднім заряджанням, четвезменшення витрат енергії у них. ртий вихід системи керування електроприводом, 5. Забезпеченням попереднього заряджання на якому формується сигнал завдання режиму конденсаторів без додаткового обладнання при попереднього заряджання з'єднано з входом бловідсутності обертаючого моменту двигуна. ка керування попереднім заряджанням, другий 6. Використанням релейних регуляторів, що вхід якого з'єднано з конденсатором першого інконтролюють напругу конденсаторів у всіх фазах вертору відповідно до корисної моделі перетворюперетворювача чим забезпечується стабілізація їх вач додатково вміщує блок фільтрів, дворівневий напруги як у сталих режимах так і у динаміці і, як регулятор, блок попереднього заряджання має наслідок, відсутність викривлень вихідної напруги. додатковий вхід, суматор має додатковий вхід, Поставлена задача вирішується тим, що гібсистема керування електроприводом має додатридний несиметричний багаторівневий перетвоковий вихід, на якому формується синусоїда з часрювач, що містить трирівневий трифазний інвертотою, що в дев'ять разів вище заданої частоти, тор напруги з нульовим виводом і фіксуючими функціональний перетворювач має додатковий діодами, кожна фаза якого має чотири послідовно вхід, що з'єднано з додатковим виходом системи згідно з'єднаних ключа двобічної провідності, що керування електроприводом, другий вихід функціскладаються з повністю керованого тиристора або онального перетворювача з'єднано з додатковим транзистора з паралельним зворотним діодом, на входом суматору, входи керування функціональкожну вихідну фазу два послідовно з'єднаних одного перетворювача підключено до виходів дворінофазних мостових інвертори, які складаються з вневого регулятору, вхід дворівневого регулятору чотирьох ключів, вільний вивід діагоналі змінного через блок фільтрів підключено до конденсаторів струму першого однофазного інвертора утворює однофазних інверторів фаз перетворювача, додавихід фази перетворювача частоти, що призначетковий вхід блоку попереднього заряджання з'єдний для підключення навантаження, розподілювач нано з конденсатором другого інвертору, вільні напруги на двох послідовно з'єднаних конденсатовиводи джерел згідно їх полярності підключено до рах, спільна точка конденсаторів являє собою нупозитивного і негативного виводів конденсаторів льовий вивід джерела, два джерела з'єднані посрозподілювача напруги. лідовно згідно, катод діода першого і анод діода Виключення із схеми перетворювача трьох останнього ключа фаз трирівневого трифазного джерел для другого однофазного інвертора кожної інвертора з'єднані відповідно з позитивним і негафази дозволяє зменшити загальну кількість джетивним виводом конденсаторів розподілювача рел до двох або при наявності ємнісного розподінапруги, анод діода другого ключа фази трирівнелювача напруги до одного. Це забезпечує спрового трифазного інвертора є вихідним виводом щення силових кіл, зменшення кількості фази інвертору, а його катод з'єднано з катодом контактних з'єднань та провідників і, відповідно, першого фіксуючого діода, катод діода четвертого зменшення витрат енергії на їх нагрівання. ключа з'єднано з анодом другого фіксуючого діода, Введення у схему блока фільтрів і дворівневокатод якого з'єднано з анодом першого фіксуючого го регулятору забезпечує стабілізацію напруги на діода і нульовим виводом джерела, до виходу коконденсаторах інверторів всіх фаз у сталих і нежної фази трирівневого трифазного інвертору підсталих режимах роботи. ключено вільні виводи діагоналі змінного струму Збільшення кратності напруг джерел трирівнедругого однофазного мостового інвертора напруги, вого інвертору з 6 до 9 дозволяє компенсувати у діагональ постійного струму однофазних інвервиключення другого інвертору з процесу передаторів підключено конденсатор, систему керування вання активної потужності у навантаження при електроприводом, функціональний перетворювач, деякому покращенню форми вихідної напруги ірозподілювач імпульсів, блок керування попередзменшенні витрат енергії на нагрівання двигуні. нім заряджанням, перемикач сигналів керування, Корегування функцій системи керування елексуматор, блок дискретизації за рівнем, виходи петроприводом, перемикача імпульсів і функціонаремикача сигналів керування з'єднані з входами льного перетворювача забезпечує виключення керування ключів відповідних інверторів у фазах ШІМ, що дозволяє зменшити витрати енергії у перетворювача, перші виходи системи керування ключах перетворювача. електроприводом на яких формуються синусоїдаЗапропоновані ознаки дозволяють зменшити льні сигнали заданої амплітуди і частоти, зсув між витрати у схемі при спрощенні силових кіл і реаліякими для трифазного перетворювача частоти зації системи керування електроприводом. складає 2л/3 з'єднані з другим входом суматору, Суть корисної моделі пояснюється кресленняна другому і третьому виходах системи керування ми: електроприводом формуються відповідно сигнал Фіг.1 - функціональна схема гібридного несизаданої амплітуди і синусоїда потроєної до задаметричного багаторівневого перетворювача часної частоти, вони з'єднані з відповідними входами тоти; функціонального перетворювача, перший вихід Фіг.2 - залежності амплітуди першої гармоніки функціонального перетворювача з'єднано з перпершого і другого інверторів від амплітуди дев'ятої шим входом суматора, вихід суматора з'єднано з гармоніки при незмінних значеннях амплітуд основходом блока дискретизації за рівнем, вихід якого вної і третьої гармоніки. 9 50428 10 На Фіг.1 представлені: система керування пругу A3sin(3 t), а на другому A9sin(9 t). Значення електроприводом 1, функціональний перетворюА3 і А9 визначаються певними залежностями від А вач 2, суматор 3, блок дискретизації за рівнем 4, в функції сигналів з виходу дворівневого регуляторозподілювач імпульсів 5, блок керування поперера. Напруги А3sin(3 t) і A9sin(9 t) з виходу функціднім заряджанням 6, блок фільтрів 7, дворівневий онального перетворювача 2 надходять до входів регулятор 8, перемикач сигналів керування 9, трисуматора 3. Вихідна напруга суматора рівневий інвертор 10, однофазні інвертори 11, 12, uЗАД=(Аsin t+А3sin(3 t)+А9sin(9 t)) надходить до конденсатори у колах постійного струму другого і входу блоку дискретизації за рівнем 4, який реаліпершого однофазних інверторів 13, 14, розподілюзує алгоритм квантування за середнім рівнем. вач напруги на конденсаторах 15, 16, джерела Підтримання напруги у колі постійного струму постійної напруги 17, 18 з напругою U3=9U, трифаоднофазних інверторів у робочому режимі здійсзний двигун змінного струму 19. нює замкнена за напругою конденсаторів система На фіг.2 представлені: залежності U12m(1)=f(A9) з дворівневим регулятором 8, що працює наступі U11m(1)=f(A9) ним чином. Гібридний несиметричний багаторівневий пеЗалежності амплітуди першої гармоніки перретворювач частоти працює таким чином. шого і другого інверторів U12m(1)=f(A3,A9) i Попереднє заряджання конденсаторів одноU11m(1)=f(A3,A9) мають декілька рішень відносно А3, фазних інверторів 11,12 до напруги, відповідно, 3U А9, коли їх значення дорівнюють 0. При цьому моі U здійснюється від джерела постійного струму жна виділити зони (на Фіг.2 показано випадок при трирівневого інвертора через коло навантаження. одному значенні А3), де U12m(1) i U11m(1) мають одДвигун 19 використовується у режимі динамічного накову (наприклад, при А9NN і А9РР) або протилежгальмування і в його обмотках протікає постійний ну (наприклад, при A9PN і A9NP) полярності. Полярструм. При цьому одно плече (фаза А) трирівневоність U12m(1) i U11m(1) визначає закон змінювання го інвертору 10 працює у режимі понижуючого імнапруги на конденсаторах першого і другого інверпульсного перетворювача постійної напруги з ШІМ, торів (збільшення при негативній полярності - засереднє значення його вихідної напруги UСР= 9U, ряджання конденсатора або зниження при позитидва інших плеча мають нульову напругу. В свою вній - розряджання). Таким чином, можна міняти чергу у змінюється за лінійним законом =at. Одзакон змінювання напруги тільки на одному або на нофазні інвертори у фазі А працюють у режимі, обох конденсаторах у фазі. Дворівневий регулятор коли їх напруга +U або 0, однофазні інвертори 8 містить у собі набір релейних регуляторів і логічінших фаз у режимі -U або 0, таким чином, через ну схему. Блок фільтрів 7 зменшує вплив пульсації відповідні ключі конденсатори фаз В и С включені напруги конденсаторів на роботу відповідних регупаралельно и послідовно з конденсатором фази А. ляторів. Для двох інверторів фази застосовано В залежності від ємності конденсаторів заряджандва релейних регулятора, що працюють з заданим ня може здійснюватися у декілька етапів при різ(мінімальним) відхиленням. Один із них для другоних комбінаціях вмикання конденсаторів (що виго інвертора 11 працює за відхиленням ±ΔU11 (при значаються блоком попереднього заряджання) з перевищенні порога формує сигнали Р і N), другий урахуванням того, що при паралельному вмиканні регулятор для першого інвертора 12 працює за струм заряджання вдвічі менший. відхиленням ±ΔU12 (формує сигнали q2 і q1) і викоСинусоїдальна напруга нують функції корегування параметра А9. Значенsin t заданої ампня A9PN, A90N, А9NN, A9NP, A90P, А9РР і А3 в функції A літуди А і частоти з виходу системи керування задані у функціональному перетворювачі 2. Виелектроприводом 1 надходить до одного з входів значення параметра А9 здійснюється відповідно з суматора 3. Функціональний перетворювач 2, на логічними змінними: входи якого з відповідних виходів системи керування електроприводом 1 надходять сигнали А, sin(3 t) і sin(9 t), формує на першому виході на_ 0 _ q2 q1, 0 _ _ q2 q1, Стабілізація напруг першого інвертору 12 здійснюється незалежно від другого інвертору 11 (незалежно від стану Р або N полярність U12m(1) відповідає поточному значенню відхилення напруги конденсатора 13). Канал стабілізації напруг другого інвертору 11 дворівневий і містить два регулятора: перший рівень з заданим відхиленням, наприклад, ±1%, другий рівень з обмежуючим, наприклад, ±5%. При цьому керування через такт роботи регулятора першого рівня передається з одної фази перетворювача на другу, на третю и знову на першу (стан Р або N даної фази є визначальним для всіх фаз). Другий рівень виконує функцію корегування і на один такт роботи релейного q1, q2, q2, q1. регулятора фази, напруга якої вийшла за відхилення другого рівня передає керування на всі фази (відповідно власним Р або N). При цьому регулятори всіх фаз першого рівня працюють незалежно приводячи напруги конденсаторів у відповідності з заданим відхиленням, після чого система знову повертається у режим синхронної роботи. 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 50428 12 13 Комп’ютерна верстка О. Рябко 50428 Підписне 14 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