МНОГОУРОВНЕВЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК H02M7/521 H02P8/00 

Изобретение относится к электротехнике, а точнее к инверторам напряжения, основанным на силовых полупроводниковых ключах и предназначенных для питания обмоток управляемых электрических машин, в частности реактивных индукторных двигателей (РИД), и к способам их управления.

Известен полумостовой инвертор напряжения (см. Патент США №4,933,621 от 12.06.1990).

Инвертор содержит конденсатор, выводы которого подключены к зажимам для подключения источника питания, и один или несколько фазных полумостов, каждый из которых содержит два несимметричных плеча, состоящих из управляемого силового ключа и обратного диода, соединенных последовательно. К точке их соединения подключен один из выводов нагрузки, например, фазной обмотки РИД. В первом плече "верхний" ключ соединяет вывод фазной обмотки с положительным полюсом источника постоянного напряжения, а "нижний" обратный диод - с отрицательным. Второе плечо содержит соответственно "нижний" ключ и "верхний" обратный диод.

При открытии обоих ключей фазы инвертора напряжения к нагрузке прикладывается положительное напряжение. После закрытия одного из ключей при индуктивном характере нагрузки ток в нагрузке не может измениться скачком, и тогда открывается обратный диод этого же плеча, к обмотке при этом прикладывается напряжение, близкое к нулю. После закрытия обоих ключей через оба обратных диода к обмотке прикладывается отрицательное напряжение, под действием которого ток нагрузки быстро спадает до нуля, после чего обратные диоды закрываются и отрицательное напряжение с обмотки снимается.

Недостатком данного инвертора напряжения является то, что к нагрузке может быть приложен только один уровень напряжения каждой полярности и нулевое напряжение, а также то, что максимальное напряжение питания инвертора ограничено допустимыми уровнями напряжения на одном силовом ключе и на одном конденсаторе.

Известен также многоуровневый инвертор напряжения (см. Патент США №4,203,151 от 13.05.1980), содержащий зажимы для подключения источника питания, между которыми включены n последовательно соединенных конденсаторов, где n>1, образуя n-1 средних точек конденсаторов, и несколько фазных плеч, каждое из которых содержит n последовательно соединенных верхних и n последовательно соединенных нижних управляемых ключей, образующих n-1 средних точек верхних ключей и n-1 средних точек нижних ключей; n-1 верхних и n-1 нижних диодов, подключенных между соответствующими средними точками конденсаторов и ключей, причем последовательные цепи из верхних и нижних ключей включены последовательно между зажимами для подключения источника питания, и с точкой их соединения связан зажим для подключения нагрузки.

В таком инверторе напряжения к зажиму для подключения нагрузки может быть приложено напряжение n уровней напряжения каждой полярности и нулевое напряжение. При этом к каждому конденсатору и полупроводниковому прибору прикладывается напряжение, не превышающее n-й доли напряжения источника питания.

Недостатком данного инвертора напряжения является возможность сквозных коротких замыканий через плечо при открытии всех верхних и нижних ключей в плече.

Кроме того, данный инвертор не приспособлен для питания управляемых электродвигателей, требующих независимого питания обмоток каждой фазы, в частности для питания РИД.

Предполагаемое изобретение направлено на исключение возможности коротких замыканий в плечах многоуровневого инвертора напряжения и на приспособление его для питания управляемых электродвигателей, требующих независимого питания обмоток каждой фазы, в частности для питания реактивных индукторных двигателей.

В схему инвертора напряжения, содержащего первый и второй зажимы для подключения к положительному и отрицательному выводам источника питания соответственно; n последовательно соединенных конденсаторов, где n>1, каждый из которых имеет положительный и отрицательный выводы, причем положительный вывод первого конденсатора подключен к первому зажиму источника питания, отрицательный вывод первого конденсатора соединен с положительным выводом второго конденсатора, образуя первую среднюю точку конденсаторов, аналогично соединены остальные конденсаторы, образуя всего n-1 средних точек конденсаторов, а отрицательный вывод n-го конденсатора подключен ко второму зажиму источника питания; и одну или несколько фазных схем, каждая из которых содержит n последовательно соединенных верхних ключей и n последовательно соединенных нижних ключей, каждый из которых имеет положительный и отрицательный выводы и вывод управления; причем положительный вывод первого верхнего ключа подключен к первому зажиму источника питания, его отрицательный вывод соединен с положительным выводом второго верхнего ключа, образуя первую среднюю точку верхних ключей, аналогично соединены остальные верхние ключи, образуя всего n-1 средних точек верхних ключей; отрицательный вывод первого нижнего ключа соединен с положительным выводом второго нижнего ключа, образуя первую среднюю точку нижних ключей, аналогично соединены остальные нижние ключи, образуя всего n-1 средних точек нижних ключей, а отрицательный вывод n-го нижнего ключа подключен ко второму зажиму источника питания; n-1 верхних диодов и n-1 нижних диодов, каждый из которых имеет анод и катод, причем анод каждого k-го верхнего диода подключен к k-й средней точке конденсаторов, а катод k-го верхнего диода подключен к k-й средней точке верхних ключей, катод каждого k-го нижнего диода подключен к k-й средней точке конденсаторов, а анод каждого k-го нижнего диода подключен к k-й средней точке нижних ключей, где k принимает значения от 1 до n-1; согласно данному заявлению введены дополнительные верхний и нижний обратные диоды, каждый из которых имеет анод и катод, и положительный и отрицательный зажимы для подключения нагрузки, причем катод верхнего обратного диода подключен к первому зажиму источника питания, а его анод и отрицательный зажим для подключения нагрузки соединены с положительным выводом первого нижнего ключа; анод нижнего обратного диода подключен ко второму зажиму источника питания, а его катод и положительный зажим для подключения нагрузки соединены с отрицательным выводом n-го верхнего ключа; при этом, задаваясь целым числом m из диапазона от -n до n, а также целым числом i, которое для отрицательных значений m может принимать значения от 0 до n+m, а для неотрицательных - от m до n, и определяя число j по формуле j=n+m-i, и в случае i>0 открывая i верхних ключей, ближайших к положительному зажиму для подключения нагрузки, а в случае j>0 открывая j нижних ключей, ближайших к отрицательному зажиму для подключения нагрузки, прикладывают к нагрузке напряжение, без учета падений напряжений на ключах и разницы напряжений на конденсаторах, равное , причем отрицательные значения возможны лишь при условии протекания тока нагрузки, где U - напряжение источника питания.

В частных случаях, описанных ниже, инвертор напряжения и способ его управления могут дополнительно характеризоваться одним или несколькими из следующих признаков:

- при изменении i более чем на 1 верхние ключи коммутируют последовательно, причем открывают их, начиная от ближайших ключей к положительному зажиму для подключения нагрузки, а закрывают в обратном порядке, с временной паузой между коммутациями, и при изменении j более чем на 1 нижние ключи коммутируют также последовательно, причем открывают их, начиная от ближайших ключей к отрицательному зажиму для подключения нагрузки, а закрывают в обратном порядке, с временной паузой между коммутациями;

- при первоначальном открытии ключей для приложения к нагрузке положительного напряжения при отсутствии тока в нагрузке первые n+1 ключей открывают одновременно;

- формируют ток в фазной обмотке реактивного индукторного двигателя с помощью токового контроллера, содержащего датчик фазного тока и 2n+1-уровневый компаратор, таким образом, что при достижении током k-то уровня снизу или сверху проверяют, соответствует ли текущее состояние ключей уровню фазного напряжения, равному , и в противном случае путем коммутации соответствующего ключа или нескольких ключей обеспечивают такое соответствие, где k - номер уровня компаратора, принимающий значения от 1 до 2n+1;

- формируют ток в фазной обмотке реактивного индукторного двигателя с помощью токового контроллера, содержащего датчик фазного тока и двухуровневый компаратор, таким образом, что при значениях фазного тока, меньших первого уровня, и фазного напряжения, меньшего U, через определенные интервалы времени путем коммутации соответствующих ключей увеличивают величину фазного напряжения на величину ; при значениях фазного тока, больших второго уровня, и фазного напряжения, большего -U, уменьшают, а при значениях фазного тока, равных обоим уровням или лежащих между ними, не изменяют;

- при коммутациях ключей чередуют различные комбинации, обеспечивающие одинаковые уровни напряжения на нагрузке, но с разных конденсаторов;

- измеряют напряжение на каждом конденсаторе и при коммутациях определяют такую комбинацию ключей, которая обеспечивает подключение нагрузки на наибольшее положительное напряжение или на наименьшее по модулю отрицательное напряжение;

- при длительном отсутствии необходимости изменять напряжение на нагрузке осуществляют принудительные коммутации, изменяя комбинации состояний ключей, обеспечивающих одинаковые уровни напряжения на нагрузке, но с разных конденсаторов;

- при уменьшении положительного или увеличении по модулю отрицательного питающего напряжения на величину, большую допустимого отклонения, осуществляют принудительные коммутации, изменяя комбинации состояний ключей, обеспечивающих одинаковые уровни напряжения на нагрузке, но с разных конденсаторов.

В дальнейшем изобретение поясняется со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны:

Фиг.1 - пример схемы многоуровневого инвертора напряжения на IGBT-транзисторах для случая n=3, на котором показаны: 1-3 - конденсаторы С1-С3; 4-6 - верхние ключи VTH1-VTH3; 7-9 - нижние ключи VTL1-VTL3; 10, 11 - верхние диоды VDH1-VDH3; 12, 13 - нижние диоды VDL1-VDL3, 14, 15 - зажимы для подключения к положительному и отрицательному выводам источника постоянного напряжения соответственно; 16, 17 - обратные диоды VDO1, VDO2; 18, 19 - зажимы для подключения нагрузки;

- фиг.2 - диаграмма управления ключами инвертора в процессе формирования фазного тока РИД обычным способом, поясняющая формирование различных уровней напряжения, на котором показаны: ДПРф - фазный сигнал датчика положения ротора, mVTH1-mVTH3, mVTL1-mVTL3 - сигналы управления соответствующими ключами фазы инвертора напряжения, I_ref1, I_ref2, - минимальная и максимальная уставки уставки фазного тока соответственно; u_ф - напряжение на фазной обмотке без учета падений напряжений на ключах и разницы напряжений на конденсаторах;

i_ф - ток фазной обмотки РИД;

- фиг.3 - диаграмма формирования фазного тока РИД с помощью многоуровневого компаратора;

- фиг.4 - диаграмма формирования фазного тока РИД с помощью двухуровневого компаратора.

Дополнительно введенные обратные диоды могут быть составлены из нескольких последовательно включенных диодов.

Таблица уровней напряжений, приложенных к нагрузке, в зависимости от состояний ключей, где 0 соответствует закрытому ключу, 1 - открытому, для n=3 имеет следующий вид:

mVTH10000001000100101mVTH20001001100110111mVTH30101101110111111mVTL10010110111111111mVTL20000010011011111mVTL30000000001001011mVDH10001000100010010mVDH20100100010001000mVDO11010010001000000mVD021101001000000000mVDL10010100100100000mVDL20000010010010100m-3-2-2-1-1-10000111223

Следует отметить, что при отсутствии токов в фазной обмотке в графах, соответствующих отрицательным значениям напряжений, обратные диоды не открываются и реальное напряжение на обмотке равно нулю.

Предлагаемый способ управления может быть реализован с помощью системы управления на базе микроконтроллера.

На фиг.2 показана диаграмма управления ключами инвертора напряжения при обычном способе формирования фазного тока РИД с помощью двухуровневого компаратора, когда к обмотке прикладывается только 3 уровня напряжения - максимальное, нулевое и минимальное, но нарастание и спадание напряжения является ступенчатым, что улучшает энергетику коммутаций.

Для использования преимущества многоуровневого инвертора напряжения - возможности подключать к нагрузке несколько уровней напряжения - предлагается использовать многоуровневый компаратор, как показано на фиг.3. Это позволяет в каждый момент времени подобрать такое фазное напряжение, при котором кривая фазного тока идет наиболее полого, и таким образом снизить частоту коммутации относительно классического случая при сохранении точности поддержания тока.

Предлагается также способ, использующий двухуровневый компаратор (фиг.4). После выхода тока из "коридора", образованного двумя уровнями, предлагается повышать или понижать уровень напряжения на одну ступень по окончании каждого интервала времени Δt₁. Данный способ упрощает схему и повышает точность поддержания тока.

Фиг.3 и 4 построены таким образом, чтобы отразить все характерные случаи поведения кривой тока и соответствующие им коммутации, поэтому на них снижение частоты коммутации не отражено. Показан также рекомендуемый порядок коммутаций, обеспечивающий выравнивание, насколько возможно, количества коммутаций ключей и количества подключений конденсаторов к нагрузке.

При длительном питании нагрузки частичным напряжением от одного или нескольких конденсаторов может произойти нежелательный их разряд ниже допустимого уровня или при возврате электромагнитной энергии из нагрузки чрезмерный заряд. При этом в незадействованных конденсаторах, при условии, что питающее напряжение стремится к постоянству, происходит обратный процесс. Это позволяет путем периодического переключения нагрузки на другие конденсаторы обеспечить напряжение на нагрузке в пределах одной ступени маломеняющимся.

Для этого предлагается через временные интервалы Δt₂ производить принудительные коммутации, не меняющие ступени напряжения, но переключающие нагрузку на другие конденсаторы (момент времени t_k на фиг.4).

Дополнительные преимущества можно получить, если применить датчики напряжения для каждого конденсатора. В этом случае предлагается контролировать заряд/разряд конденсаторов и производить принудительные коммутации на наиболее заряженные конденсаторы при потреблении энергии или на наиболее разряженные при ее отдаче либо через определенные временные интервалы, либо по мере заряда/разряда конденсаторов.

Технический эффект настоящего изобретения состоит в обеспечении возможности получения нескольких уровней напряжения питания фазных обмоток управляемого электродвигателя за счет открытия соответствующего числа управляемых ключей в соответствующих комбинациях. Уровень максимального напряжения питания обмоток при этом не ограничен параметрами силовых полупроводниковых приборов, а также исключена возможность коротких замыканий в плечах.

Предложенные способы формирования фазных токов РИД с помощью многоуровневого инвертора напряжения обеспечивают минимизацию частоты коммутации силовых ключей и, следовательно, коммутационные потери.

Изобретение относится к электротехнике, а точнее к инверторам напряжения, и может быть использовано для питания обмоток управляемых электрических машин, в частности реактивных индукторных двигателей (РИД). Техническим результатом является исключение коротких замыканий в плечах многоуровневого напряжения и обеспечение питанием реактивных индукторных двигателей. Инвертор напряжения снабжен верхним и нижним обратными диодами, каждый из которых имеет анод и катод, и положительным и отрицательным зажимами для подключения нагрузки, причем катод верхнего обратного диода подключен к первому зажиму источника питания, а его анод и отрицательный зажим для подключения нагрузки соединены с положительным выводом первого нижнего ключа; анод нижнего обратного диода подключен ко второму зажиму источника питания, а его катод и положительный зажим для подключения нагрузки соединены с отрицательным выводом n-го верхнего ключа; при этом, задаваясь целым числом m из диапазона от -n до n, а также целым числом i, которое для отрицательных значений m может принимать значения от 0 до n+m, а для неотрицательных - от m до n, и определяя число j по формуле j=n+m-i, и в случае i>0 открывая i верхних ключей, ближайших к положительному зажиму для подключения нагрузки, а в случае j>0 открывая j нижних ключей, ближайших к отрицательному зажиму для подключения нагрузки, прикладывают к нагрузке напряжение, равное , причем отрицательные значения возможны лишь при условии протекания тока нагрузки, где U - напряжение источника питания; причем при изменении напряжения верхние и нижние ключи коммутируют последовательно, причем открывают их, начиная от ближайших ключей к зажимам для подключения нагрузки, а закрывают в обратном порядке, с временной паузой между коммутациями; ток в фазной обмотке реактивного индукторного двигателя формируют с помощью 2n+1-уровневого компаратора или двухуровневого компаратора с контролем времени нахождения фазного тока вне коридора, образованного двумя уровнями; при питании нагрузки от частичного напряжения для предотвращения чрезмерного заряда или разряда конденсаторов контролируют напряжение на конденсаторах и производят принудительные коммутации. 2 н. и 9 з.п. ф-лы; 4 ил., 1 табл.

1. Инвертор напряжения, содержащий первый и второй зажимы для подключения к положительному и отрицательному выводам источника питания соответственно; n последовательно соединенных конденсаторов, где n>1, каждый из которых имеет положительный и отрицательный выводы, причем положительный вывод первого конденсатора подключен к первому зажиму источника питания, отрицательный вывод первого конденсатора соединен с положительным выводом второго конденсатора, образуя первую среднюю точку конденсаторов, аналогично соединены остальные конденсаторы, образуя всего n-1 средних точек конденсаторов, а отрицательный вывод n-го конденсатора подключен ко второму зажиму источника питания; и одну или несколько фазных схем, каждая из которых содержит n последовательно соединенных верхних ключей и n последовательно соединенных нижних ключей, каждый из которых имеет положительный и отрицательный выводы и вывод управления; причем положительный вывод первого верхнего ключа подключен к первому зажиму источника питания, его отрицательный вывод соединен с положительным выводом второго верхнего ключа, образуя первую среднюю точку верхних ключей, аналогично соединены остальные верхние ключи, образуя всего n-1 средних точек верхних ключей; отрицательный вывод первого нижнего ключа соединен с положительным выводом второго нижнего ключа, образуя первую среднюю точку нижних ключей, аналогично соединены остальные нижние ключи, образуя всего n-1 средних точек нижних ключей, а отрицательный вывод n-го нижнего ключа подключен ко второму зажиму источника питания; n-1 верхних диодов и n-1 нижних диодов, каждый из которых имеет анод и катод, причем анод каждого k-го верхнего диода подключен к k-й средней точке конденсаторов, а катод k-го верхнего диода подключен к k-й средней точке верхних ключей, катод каждого k-го нижнего диода подключен к k-й средней точке конденсаторов, а анод каждого k-го нижнего диода подключен к k-й средней точке нижних ключей, где k принимает значения от 1 до n-1; отличающийся тем, что инвертор снабжен дополнительными верхним и нижним обратными диодами, каждый из которых имеет анод и катод, и положительным и отрицательным зажимами для подключения нагрузки, причем катод верхнего обратного диода подключен к первому зажиму источника питания, а его анод и отрицательный зажим для подключения нагрузки соединены с положительным выводом первого нижнего ключа; анод нижнего обратного диода подключен ко второму зажиму источника питания, а его катод и положительный зажим для подключения нагрузки соединены с отрицательным выводом n-го верхнего ключа.2. Способ управления многоуровневым инвертором напряжения, содержащим первый и второй зажимы для подключения к положительному и отрицательному выводам источника питания соответственно; n последовательно соединенных конденсаторов, где n>1, каждый из которых имеет положительный и отрицательный выводы, причем положительный вывод первого конденсатора подключен к первому зажиму источника питания, отрицательный вывод первого конденсатора соединен с положительным выводом второго конденсатора, образуя первую среднюю точку конденсаторов, аналогично соединены остальные конденсаторы, образуя всего n-1 средних точек конденсаторов, а отрицательный вывод n-го конденсатора подключен ко второму зажиму источника питания; одну или несколько фазных схем, каждая из которых содержит n последовательно соединенных верхних ключей и n последовательно соединенных нижних ключей, каждый из которых имеет положительный и отрицательный выводы и вывод управления; причем положительный вывод первого верхнего ключа подключен к первому зажиму источника питания, его отрицательный вывод соединен с положительным выводом второго верхнего ключа, образуя первую среднюю точку верхних ключей, аналогично соединены остальные верхние ключи, образуя всего n-1 средних точек верхних ключей; отрицательный вывод первого нижнего ключа соединен с положительным выводом второго нижнего ключа, образуя первую среднюю точку нижних ключей, аналогично соединены остальные нижние ключи, образуя всего n-1 средних точек нижних ключей, а отрицательный вывод n-го нижнего ключа подключен ко второму зажиму источника питания; n-1 верхних диодов и n-1 нижних диодов, каждый из которых имеет анод и катод, причем анод каждого k-го верхнего диода подключен к k-й средней точке конденсаторов, а катод k-го верхнего диода подключен к k-й средней точке верхних ключей, катод каждого k-го нижнего диода подключен к k-й средней точке конденсаторов, а анод каждого k-го нижнего диода подключен к k-й средней точке нижних ключей, где k принимает значения от 1 до n-1, отличающийся тем, что для многоуровневого инвертора напряжения, снабженного верхним и нижним обратными диодами, каждый из которых имеет анод и катод, и положительным и отрицательным зажимами для подключения нагрузки, причем катод верхнего обратного диода подключен к первому зажиму источника питания, а его анод и отрицательный зажим для подключения нагрузки соединены с положительным выводом первого нижнего ключа; анод нижнего обратного диода подключен ко второму зажиму источника питания, а его катод и положительный зажим для подключения нагрузки соединены с отрицательным выводом n-го верхнего ключа; задавясь целым числом m из диапазона от -n до n, а также целым числом i, которое для отрицательных значений m может принимать значения от 0 до n+m, а для неотрицательных - от m до n, и определяя число j по формуле j=n+m-i, и в случае i>0 открывая i верхних ключей, ближайших к положительному зажиму для подключения нагрузки, а в случае j>0 открывая j нижних ключей, ближайших к отрицательному зажиму для подключения нагрузки, прикладывают к нагрузке напряжение, без учета падений напряжений на ключах и разницы напряжений на конденсаторах равное причем отрицательные значения возможны лишь при условии протекания тока нагрузки, где U - напряжение источника питания.3. Способ управления многоуровневым инвертором напряжения по п.2, отличающийся тем, что при изменении i более чем на 1 верхние ключи коммутируют последовательно, причем открывают их, начиная от ближайших ключей к положительному зажиму для подключения нагрузки, а закрывают - в обратном порядке, с временной паузой между коммутациями и при изменении j более чем на 1 нижние ключи коммутируют также последовательно, причем открывают их, начиная от ближайших ключей к отрицательному зажиму для подключения нагрузки, а закрывают - в обратном порядке, с временной паузой между коммутациями.4. Способ управления многоуровневым инвертором напряжения по п.3, отличающийся тем, что при первоначальном открытии ключей для приложения к нагрузке положительного напряжения при отсутствии тока в нагрузке первые n+1 ключей открывают одновременно.5. Способ управления многоуровневым инвертором напряжения по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что ток в фазной обмотке реактивного индукторного двигателя формируют с помощью токового контроллера, содержащего датчик фазного тока и компаратор.6. Способ управления многоуровневым инвертором напряжения по п.5, отличающийся тем, что применяют 2n+1-уровневый компаратор, причем при достижении током k-го уровня снизу или сверху проверяют, соответствует ли текущее состояние ключей уровню фазного напряжения, равному

и в противном случае путем коммутации соответствующего ключа или несколько ключей обеспечивают такое соответствие, где k - номер уровня компаратора, принимающий значения от 1 до 2n+1.

при значениях фазного тока, больших второго уровня, и фазного напряжения, большего -U, - уменьшают, а при значениях фазного тока, равных обоим уровням или лежащих между ними, - не изменяют.