Спосіб комутації струму ключами двосторонньої провідності матричних перетворювачів

Винахід стосується електротехніки, зокрема перетворювальної техніки. Винахід може бути використаний в електроприводах змінного струму, спеціальних джерелах живлення, тощо. Відомі способи комутації струм у ключами двосторонньої провідності, що складаються з двох окремо керованих та проводячих у протилежних напрямках половин, засновані на інформації про полярність струму навантаження (Ін), матричних перетворювачів (МП), [1, 2, 3], або інформації про співвідношення напруг мережі живлення [3, 4, 5]. У випадку слідкування за полярністю Ін управління половинами ключів ведеться індивідуально для кожної полярності струму, що дозволяє здійснювати коректну комутацію (без струмів короткого замикання та викидів напруги на елементах схеми при розривах струму в індуктивності навантаження), якщо полярність Ін визначена однозначно. Якщо ж Ін»0 або через спотворення Ін змінює полярність багатократно на періоді вихідної напруги, у [1, 3] неможливо точно визначити порядок покрокової комутації половин ключів при кожній зміні полярності струму Ін. У [2] полярність Ін визначається за різницею в падінні напруги на половинах ключів в кожний момент часу. Це дозволяє досить точно визначити момент спаду струму до нульового значення. Але цій спосіб потребує значного розширення інтелектуальних можливостей драйверів силових ключів та ускладнення логічної частини системи керування за рахунок багатократних перехресних зв'язків між драйверами всіх ключів кожної вихідної фази МП. Крім цього, після фіксації нульового значення струму виникає невизначеність в подальшому виборі потрібного порядку перемикання половин ключів, що також ускладнює реалізацію способу комутації. В реальних умовах пульсуючої з високою частотою і багатократно перетинаючої нульову лінію кривої вихідного струму реалізація механізму переводу стр уму з одного ключа в інший за цими способами буде ускладненою. При використанні способів комутації, заснованих на інформації про співвідношення напруг мережі живлення, період напруги розбивають на інтервали, для кожного з яких згадане співвідношення напруг залишається незмінним, і підтримують постійно увімкненими половини всіх підключених до фази навантаження ключів, які не створюють шляхів для проходження струму короткого замикання протягом поточного інтервалу мережі живлення [4], або половини тільки двох ключів, підключених до вхідних фаз з максимальною та мінімальною напругами для даного інтервалу [5]. Такий підхід дозволяє забезпечити для фази МП постійну наявність умовних зворотних діодів за аналогією з автономними інверторами напруги і дає можливість здійснювати комутацію ключів із паузою, тому що завжди є шлях для проходження струму обох полярностей. Однак у моменти приблизної рівності фазних напруг, особливо якщо ці напруги спотворені (наприклад, в результаті проходження споживаного з мережі модульованого струму через індуктивність фільтру) і неодноразово порівнюються при зміні інтервалів, настає невизначеність у фіксації меж інтервалів напруги мережі. Неточність в виборі половин ключів, які підлягають постійному вмиканню протягом інтервалу, призводить до струмів короткого замикання через ключі в випадку перекриття, або до розривів струму при комутаціях, якщо потрібна для проведення струму під час пауз половина ключа виявиться вимкнутою. При застосуванні способу комутації стр уму по [3] з використанням інформації про співвідношення вхідних напруг покроковий алгоритм перемикання половин ключів забезпечує коректну комутацію на тих часових інтервалах, де існує повна визначеність у співвідношенні напруг фаз, до яких підключені ключі, що перемикаються. Недоліком цього способу, як і попередніх, є відсутність умов для реалізації безпечного перемикання ключів на інтервалах, де неможливо точно визначити співвідношення між вхідними фазними напругами, особливо при спотвореннях кривих напруг фаз мережі, до яких підключені ключі, що беруть участь у комутації. У випадку значних спотворень вхідних напруг ці способи незастосовні. Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого є спосіб комутації струму ключами двосторонньої провідності матричних перетворювачів (МП) з числом вхідних фаз, дорівнюючим або більшим за три [6], який полягає в тому, що при переведенні струму навантаження МП з першого ключа, який забезпечує під'єднання навантаження до однієї вхідної фази, в др угий ключ, який забезпечує під'єднання навантаження до іншої вхідної фази, у відповідності з порядком покрокового перемикання половин ключів, що задається поточним співвідношенням напруг для цих вхідних фаз, за умов неможливості точного визначення співвідношення напруг на момент початку покрокових перемикань ідентифікують на даний момент часу фазу мережі з екстремальною за модулем напругою і здійснюють проміжну комутацію струм у з першого ключа в третій ключ, який забезпечує під'єднання навантаження до згаданої фази з екстремальною за модулем напругою, після чого переводять струм в др угий ключ. В поєднанні з векторною широтно-імпульсною модуляцією (ВШІМ) в трифазно-трифазному МП, що передбачає синтез просторових векторів вихідної напруги (наприклад, фазної – Uвих) і вхідного струму протягом кожного циклу ВШІМ з н ульових і ненульових стаціонарних векторів, з розбиттям періоду напруги мережі на шість інтервалів, межами яких є моменти зміни полярності вхідних фазних напруг, спосіб [6] передбачає формування нульових векторів одночасним вмиканням всіх ключів МП, під'єднаних до вхідної фази з екстремальною за модулем напругою всередині поточного інтервалу періоду напруги мережі живлення, і при почерговому використанні для формування ненульових векторів двох вхідних лінійних напруг, максимальних за модулем усередині поточного інтервалу періоду напруги мережі живлення, ненульові вектори групують за ознакою формування з однієї і тієї ж вхідної лінійної напруги і розташовують між цими групами по часу формування нульовий вектор, а при сполученні циклів ВШІМ формують останній вектор попереднього і перший вектор наступного циклів з однієї і тієї ж вхідної лінійної напруги. Спосіб комутації [6] забезпечує безпечні перемикання ключів навіть за умовами значних спотвореннях вхідних напруг МП. Використання двох максимальних за модулем лінійних напруг мережі на поточному інтервалі періоду напруги живлення для формування ненульових стаціонарних векторів дозволяє отримати максимально можливе співвідношення вихідної та вхідної напруг МП і підтримувати кут між просторовими векторами вхідного струму та вхідної фазної напруги близьким до нуля. Всі перемикання ключів при застосуванні способу [6] є функціонально доцільними і не призводять до додаткових динамічних втрат в ключах МП. Недоліком способу [6] являється неможливість використання при формуванні ненульових стаціонарних векторів двох вхідних лінійних напруг, одна з яких зсунута відносно іншої на 60 електричних градусів і мінімальна за модулем всередині поточного інтервалу періоду напруги мережі живлення. Цей недолік не дозволяє застосовувати спосіб [6] при необхідності регулювання в широкому діапазоні кута зсуву між просторовими векторами напруги та струм у мережі живлення, що значно звужує функціональні можливості МП. В основу винаходу покладене завдання розширення функціональних можливостей МП шляхом створення умов для використання при формуванні ненульових стаціонарних векторів з двох вхідних лінійних напруг, одна з яких зсунута відносно іншої на 60 електричних градусів і мінімальна за модулем всередині поточного інтервалу періоду напруги мережі живлення, для здійснення регулювання в широкому діапазоні кута зсуву між просторовими векторами напруги та струм у мережі живлення, при забезпеченні вилучення комутацій між ключами, підключеними до фаз мережі живлення, для яких на даний момент часу неможливо однозначно визначити співвідношення напруг між ними. Поставлене завдання вирішується завдяки тому, що відповідно до способу комутації стр уму ключами двосторонньої провідності, кожен з яких складається з двох окремо керованих і проводячих у протилежних напрямках половин, матричних перетворювачів (МП) з числом вхідних фаз, дорівнюючим або більшим за три, який полягає в тому, що при переведенні струму навантаження МП з увімкненого в обох напрямках першого ключа, який забезпечує під'єднання навантаження до однієї вхідної фази, в другий ключ, який забезпечує під'єднання навантаження до іншої вхідної фази, у відповідності з порядком покрокового перемикання половин ключів, що задається поточним співвідношенням напруг для цих вхідних фаз, за умов неможливості точного визначення співвідношення напруг на момент початку покрокових перемикань ідентифікують на даний момент часу фазу мережі з екстремальною за модулем напругою і здійснюють проміжну комутацію струму з першого ключа в третій ключ, який забезпечує під'єднання навантаження до згаданої фази з екстремальною за модулем напругою, після чого переводять струм в другий ключ, а в поєднанні з ВШІМ в трифазно-трифазному МП, що передбачає синтез просторових векторів Uвих і вхідного струму протягом кожного циклу ВШІМ з нульових і ненульових стаціонарних векторів з почерговим використанням для формування ненульових векторів двох вхідних лінійних напруг, зсунути х одна відносно іншої на 60 електричних градусів, з розбиттям періоду напруги мережі на шість інтервалів, межами яких є моменти зміни полярності вхідних фазних напруг, з формуванням нульових векторів одночасним вмиканням всіх ключів МП, під'єднаних до вхідної фази з екстремальною за модулем напругою всередині поточного інтервалу періоду напруги мережі живлення, з розташуванням нульових векторів по часу формування між ненульовими векторами, згрупованими за ознакою відсутності прямого чергування векторів, яке вимагає комутацій струму ключами, для яких на поточному інтервалі мережі неможливо точно визначити співвідношення вхідних напруг, при почерговому використанні для формування ненульових стаціонарних векторів двох вхідних лінійних напруг, одна з яких мінімальна за модулем усередині поточного інтервалу періоду напруги мережі живлення, ненульові вектори групують за ознакою чергування однонаправлених або сформованих з максимальної за модулем вхідної лінійної напруги векторів, і якщо останній вектор попередньої і перший вектор наступної групи є різнонаправлені і принаймні один з них сформований з мінімальної за модулем вхідної лінійної напруги на інтервалі періоду мережі, то між цими групами розташовують по часу формування нульовий вектор. Порівняльний аналіз з відомими технічними рішеннями показує, що запропонований спосіб відрізняється від відомих тим, що при формуванні Uвих і вхідного струму з дво х вхідних лінійних напруг, одна з яких зсунута відносно іншої на 60 електричних градусів і мінімальна за модулем всередині поточного інтервалу періоду напруги мережі живлення, дозволяє вилучити комутації струму ключами МП, під'єднаними до фаз мережі живлення, для яких на даний момент часу неможливо точно визначити полярність напруги між ними, завдяки чому комутації виконуються коректно без струмів короткого замикання через ключі та перенапруг на елементах схеми. На фіг. 1 зображена принципова схема силової частини трифазно-трифазного МП; на фіг. 2 - часова діаграма напруг живлення трифазно-трифазного МП; на фіг. 3 - діаграма просторового вектора U вих і стаціонарних векторів при використанні для формування ненульових векторів двох лінійних напруг мережі, максимальних за модулем усередині поточного інтервалу періоду напруги живлення; на фіг. 4 - векторна діаграма, що пояснює можливі варіанти порядку чергування стаціонарних векторів у процесі синтезу U вих (фіг. 3); на фіг. 5 - схеми під'єднання вихідних фаз МП до фаз мережі для кожного з стаціонарних векторів на фіг. 4; на фіг. 6 - діаграма просторового вектора Uвих і стаціонарних векторів при використанні для формування ненульових векторів двох лінійних напруг, одна з яких зсунута відносно іншої на 60 електричних градусів і мінімальна за модулем всередині поточного інтервалу періоду напруги мережі живлення; на фіг. 7, 8 - векторні діаграми, що пояснюють можливі варіанти порядку чергування стаціонарних векторів у процесі синтезу просторового вектора Uвих при різних його розташуваннях; на фіг. 9 - схеми під'єднання вихідних фаз МП до фаз мережі для кожного з стаціонарних векторів на фіг. 7 і 8; на фіг. 10 - приклад функціональної схеми пристрою для реалізації запропонованого способу. Розглянемо реалізацію запропонованого способу комутації струму в три фазно-трифазному МП з ВШІМ (фіг. 1 і фі г. 10). Трифазно-трифазний МП (фіг. 1) містить дев'ять ключів двосторонньої провідності 1.1-1.9, що складаються з окремо керованих половин 2.1 - 2.9, що проводять струм від вхідних фаз до навантаження, і окремо керованих половин 3.1 - 3.9, що проводять струм в протилежному напрямку. Конфігурація ключа з двох з'єднаних емітерами IGBT-транзисторів з паралельно увімкненими зворотними діодами обрана як одна з можливих і принципового значення для пояснення запропонованого способу не має. На часовій діаграмі напруг живлення трифазно-трифазного МП (фіг. 2) період напруги розбитий на шість інтервалів, межами яких є моменти зміни полярності вхідних фазних напруг. Інтервали позначені цифрами трьохрозрядного двійкового коду: 101, 100, 110, 010, 011, 001; кожний розряд означає полярність відповідної фазної напруги фаз ABC у порядку старшинства розрядів ("1" -позитивна, "0" - негативна). Наприклад, для інтервалу 100 uA>0, u B