Спосіб керування модульним багаторівневим інвертором напруги

Реферат: Спосіб керування ключами модульного багаторівневого інвертора напруги передбачає формування вихідної напруги змінної амплітуди та частоти за рахунок зміни тривалості включень базових векторів напруги, що відповідають стійким станам інвертора, при цьому знаходження тривалості включення на кожному періоді модуляції виконується з величини проекцій заданого вектору напруги на сторони трикутника базових векторів, вершини яких знаходяться на мінімальній відстані від заданого. У сигнали напруги завдання інжектується напруга нульової послідовності, величина якої регулюється у відповідності з різницею часткових напруг на конденсаторних батареях модулів перетворювача, а також для обмеження струмів перетоку між плечима інвертора. UA 95478 U (12) UA 95478 U UA 95478 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехнічної промисловості і може бути використана у системах керування багаторівневими інверторами у складі електроприводу з двигуном, що має номінальну напругу живлення 6-10 кВ. Також корисна модель може бути використана в тих умовах, коли є необхідність зміни частоти обертання асинхронного чи синхронного двигуна великої потужності, або живлення обмоток двигуна змінного струму від дворівневого інвертора неприпустиме через обмеження щодо du/dt. Відомий спосіб керування багаторівневими інверторами напруги, що передбачає знаходження трикутника векторів напруг, до якого потрапляє вектор напруги завдання, з послідуючим розкладанням його в базисі трьох векторів, що формують вибраний трикутник та розрахунок відносних тривалостей включень кожної комбінації ключів інвертора (Tenconi S.M., Carpita M., Bacigalupo С., Cali R., Multilevel voltage source converters for medium voltage adjustable speed drives // Proceedings of the IEEE International Symposium on industrial electronics, vol. 1, p. 91-98). Недоліком вказаного способу є відсутність чітко обумовленої можливості змінювати комбінацію включення ключів інвертора навіть для одного й того ж вектора вихідної напруги, що дозволяє більш рівномірно розподілити виділення теплової енергії по усім модулям перетворювача, а також балансувати часткові напруги в ланці постійного струму. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним як найближчий аналог, є спосіб керування багаторівневим інветором, що передбачає розрахунок тривалостей включень кожного вектора вихідної напруги, вимір напруги на конденсаторних батареях кожного модуля, сортування їх, а потім здійснення вибору модулів для включення у відповідності до напрямку вихідного струму плеча інвертора, до якого відносяться модулі (Lesnicar Α., Marquardt R. An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range // Power Tech Conference Proceedings, 2003 IEEE Bologna, Vol. 3). Недоліком вказаного способу є те, що баланс часткових напруг, що формуються конденсаторним подільником, підтримується вибором комірок перетворювача, що беруть участь у формуванні необхідного рівня вихідної напруги, в залежності від поточної величини напруги на конденсаторах, а також напрямку вихідного струму відповідного плеча інвертора. Це призводить до того, що при роботі з низькою вихідною частотою, коли зміна знаку вихідного струму відбувається відносно рідко, на половині періоду вихідного струму відбувається розряд конденсаторів однієї половини плеча інвертора та заряд конденсаторів іншої половини плеча інвертора, а можливість вирівнювання цих напруг відсутня до моменту зміни знаку вихідного струму. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення способу керування ключами модульного багаторівневого інвертора напруги за рахунок інжектування у сигнали напруги завдання, які є основою для знаходження тривалостей включень відповідних комбінацій ключів, модульованої напруги нульової послідовності, що не впливає на значення напруг на навантаженні, але дає можливість балансувати часткові напруги на конденсаторах, а також здійснювати контроль струмів перетоку між плечима інвертора. Технічний результат від використання корисної моделі забезпечує реалізацію роботи перетворювача у великому діапазоні керування вихідної частоти, підтримуючи при цьому баланс часткових напруг в ланці постійного струму, а також роботу навіть з нульовою вихідною частотою. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що вихідна напруга перетворювача формується зміною тривалості включень базових векторів напруги, що відповідають стійким станам інвертора, при цьому знаходження тривалості включення на кожному періоді модуляції виконується з величини проекцій заданого вектору напруги на сторони трикутника базових векторів, вершини яких знаходяться на мінімальній відстані від заданого. Згідно з корисною моделлю у сигнали напруги завдання інжектується напруга нульової послідовності, величина якої регулюється у відповідності з різницею часткових напруг на конденсаторних батареях модулів перетворювача, а також для обмеження струмів перетоку між плечима інвертора. Заявлена корисна модель представляє собою спосіб керування модульним багаторівневим інвертором, що зображений на фіг. 1, а на фіг. 2 та 3 показані напрямки протікання струмів через комірку перетворювача. Кожна з комірок перетворювача має два стани: ввімкнений, коли до вихідних клем (2) підключено конденсатор (1), що має певний заряд (фіг. 2), а також вимкнений, коли вихідні клеми (2) зашунтовані транзистором (3) (фіг. 3). Таким чином вихідна напруга кожної комірки перетворювача (4) може бути або нульовою, або рівною напрузі конденсатора. Коли в початковий момент часу роботи перетворювача усі конденсатори (1) заряджені до однакової за 1 UA 95478 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 величиною напруги, це дозволяє формувати на виході напругу, що складається з однакових за величиною рівнів. Але під час роботи конденсатора (1) струм, що проходить через нього, змінює його напругу, розряджаючи або заряджаючи його. Це призводить до дисбалансу напруг окремих комірок перетворювача (4). При роботі з високою вихідною частотою коливання величини напруг комірок (4) є незначним, а для їх балансування достатньо застосувати ротацію комірок за рахунок використання збиткових комбінацій включення ключів. При роботі з низькою або нульовою частотою (що є корисним, наприклад, при реалізації динамічного гальмування асинхронної машини) робота перетворювача з такою топологією значно ускладнюється, оскільки значно зменшується частота зміни знаку вихідного струму. При цьому спостерігається значне відхилення величин напруг комірок (4) від їх номінального значення, що призводить до викривлення форми вихідного струму яку зображено кривою 6 на фіг. 4. Спосіб реалізується наступним чином. На кожному дискретному інтервалі часу роботи інвертора: 1. Виконується вимірювання величин вихідних струмів інвертора. Визначаються напрямки протікання струму. 2. Для кожного плеча інвертора (5) в залежності від знаку струму за наступним правилом визначаються напрямки перетікання зарядів конденсаторів: - а) якщо струм проходить від інвертора в навантаження, то вважається, що конденсатори (1) верхньої половини плеча (5) будуть заряджатися, а конденсатори (1) нижньої половини плеча (5) будуть розряджатися. Якщо формування вектора вихідної напруги може виконуватися з використанням збиткових комбінацій включення ключів, то у верхній половині плеча (5) при цьому обираються для роботи ті комірки (4), що мають найменші значення напруг конденсаторів (1), а у нижній половині плеча (5) - ті, що мають найбільші значення; - б) якщо струм проходить від навантаження в інвертор, то вважається, що конденсатори (1) верхньої половини плеча (5) будуть розряджатися, а конденсатори (1) нижньої половини плеча (5) будуть заряджатися. Якщо формування вектора вихідної напруги може виконуватися з використанням збиткових комбінацій включення ключів, то у верхній половині при цьому обираються для роботи ті комірки (4), що мають найбільші значення напруг конденсаторів (1), а у нижній половині - ті, що мають найменші значення; 3. При відхиленні напруги хоча б однієї комірки (4) за межі ±15 % від номінального значення, включається інжекція напруги нульової послідовності у сигнали завдання напруги інвертора. При цьому величина напруги, що інжектується, модулюється за синусоїдальним законом з частотою, що обирається в межах 50-100 Гц. Амплітуда коливання напруги нульової послідовності адаптивно підлаштовується в залежності від величини відхилення напруг комірок (4), а також виконує функцію обмеження струму, що перетікає від одного плеча інвертора (5) до іншого при примусовому вирівнюванні напруг. Впровадження такого способу керування дозволяє створити умови надійного використання модульного багаторівневого інвертора в тих застосуваннях, що вимагають зміни вихідної частоти, наприклад, для керування частоти обертання двигунів змінного струму з номінальними напругами 6-10 кВ. Застосування розробленого способу керування дозволяє створювати потужні високовольтні безтрансформаторні перетворювачі частоти, що задовольняють умовам надійності через модульну структуру, що дозволяє створити умови резервування комірок перетворювача для уникнення ситуацій з вимушеною зупинкою механізму через вихід з ладу елементів силової частини однієї з комірок. Використання запропонованого способу як основи для проектування програмного забезпечення систем керування перетворювачами частоти дозволить уникнути необхідності встановлення додаткових ланцюгів вирівнювання напруг комірок, що має позитивний вплив на собівартість таких пристроїв. Вихідний струм перетворювача для тих же умов, що використовувалися при розрахунку графіку, що зображений кривою 6 (фіг. 4), при застосуванні запропонованого способу керування має вигляд, що представлений кривою 7 (фіг. 5), та має значно менше викривлень, що призводить до суттєвого зменшення втрат енергії, що пов'язані з наявністю вищих гармонік, зменшення пульсацій електромагнітного моменту, покращення статичних та динамічних показників якості керування системи приводу. Вихідна напруга інвертора, що представлена кривою 8 (фіг. 6), формується з рівних за величиною рівнів, що дозволяє зменшити перенапруження на обмотках двигуна, підвищуючи строк його служби у порівнянні з живленням від дворівневого інвертора. 2 UA 95478 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Спосіб керування ключами модульного багаторівневого інвертора напруги, що передбачає формування вихідної напруги змінної амплітуди та частоти за рахунок зміни тривалості включень базових векторів напруги, що відповідають стійким станам інвертора, при цьому знаходження тривалості включення на кожному періоді модуляції виконується з величини проекцій заданого вектору напруги на сторони трикутника базових векторів, вершини яких знаходяться на мінімальній відстані від заданого, який відрізняється тим, що у сигнали напруги завдання інжектується напруга нульової послідовності, величина якої регулюється у відповідності з різницею часткових напруг на конденсаторних батареях модулів перетворювача, а також для обмеження струмів перетоку між плечима інвертора. 3 UA 95478 U 4 UA 95478 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5