Предложенное изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к статическим многоуровневым электрическим преобразователям на основе каскадного преобразователя частоты, и может быть использовано в высоковольтных частотно-регулируемых электроприводах переменного тока большой мощности с высокими показателями качества синтезируемого напряжения, а также высокими показателями надежности.
Известен преобразователь частоты (патент RU 2414043 С1, класс Н02М 5/452, Н02М 7/5387, Н02М 7/5395, Н02М 1/12, Н02Р 27/08, H02J 3/36 26.03.2010 г., Бестрансформаторный преобразователь частоты для регулируемого средневольтного электропривода, Мустафа Георгий Маркович, Демчук Сергей Петрович, Сенов Юрий Михайлович, Ильинский Александр Дмитриевич, номер заявки 2010111413/07), содержащий трехфазный двухполупериодный выпрямитель напряжения, собранный на последовательно соединенных тиристорах, конденсаторный делитель напряжения звена постоянного тока и трехфазный трехуровневый инвертор напряжения собранный на транзисторах по схеме с нулевой точкой. Недостатком известной схемы является то, что потенциал нулевой точки конденсаторного делителя звена постоянного тока будет значительно изменяться в зависимости от величины нагрузки фаз инвертора и алгоритма работы силовых ключей трехуровнего инвертора напряжения. К недостаткам такой схемы так же следует отнести возможность формирования ограниченного количества уровней напряжения на выходе инвертора напряжения и как следствие низкое качество синтезируемого напряжения.
Известен преобразователь частоты (патент CN 201057634 U, Three power level integrated intermediate and high voltage frequency convenor, Zhi Yang, Jian Wu, Xiaojun Guo, класс H02M 5/44, H02M 5/458, H02M 1/12, H02M 1/14, 23.02.2006 г.), содержащий входной силовой трехфазный трехобмоточный трансформатор две вторичные обмотки которого соединены одна звездой другая треугольником и подключенные на трехфазные двухполупериодные неуправляемые выпрямители напряжения соединенные своими выходами согласованно последовательно и организующими трехуровневый источник постоянного напряжения, к которому подключен трехуровневый инвертор напряжения, собранный по схеме с нулевой точкой на полностью управляемых тиристорах. Достоинством такой схемы являются фиксированные уровни напряжения звена постоянного тока, зависящие от уровня напряжения вторичных обмоток трансформатора. К достоинствам известного преобразователя также можно отнести снижение уровня пульсации напряжения звена постоянного тока, за счет организации двенадцатипульсной схемы выпрямления. Недостатком известной схемы является ограниченное количество уровней синтезируемого напряжения на выходе инвертора напряжения, а также наличие трехобмоточного силового согласующего трансформатора, рассчитанного на полную мощность электропривода. Кроме всего прочего трехуровневый инвертор напряжения реализован на полностью управляемых тиристорах, имеющих ограничение по частоте коммутации и как следствие низкое качество синтезируемого напряжения на выходе преобразователя частоты. Таким образом, недостатком такой схемы является прямая зависимость качества выходного напряжения от частоты коммутации силовых полупроводниковых управляемых ключей инвертора, а также невозможность масштабирования такой схемы на большую мощность из-за ограниченных коммутационных возможностей, используемых силовых полупроводниковых элементов.
Наиболее близким по технической сущности выбранное в качестве прототипа является устройство каскадного преобразователя частоты для управления электрической машиной переменного тока (патент US 5625545 А, класс Н02М 7/515, Medium voltage PWM drive and method, Peter W / Hammond, приоритет заявки 01.05.1994, дата публикации 29.04.1997), содержащее согласующий многообмоточный силовой трансформатор и последовательно соединенные ячейки в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты. Каждая ячейка каскадного преобразователя частоты выполнена в виде однофазного двухзвенного преобразователя частоты, выполненного с двухуровневым инвертором напряжения. Вход каждого однофазного преобразователя частоты соединен с выходами вторичных обмоток многообмоточного силового трансформатора, а выходы однофазных преобразователей частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты соединены последовательно и образуют условные начала и концы фаз каскадного преобразователя частоты. Причем условные начала фаз каскадного преобразователя частоты соединены между собой, а условные концы подключены к выводам электродвигателя переменного тока. Достоинством такой схемы является масштабируемость и возможность реализации такой схемы электрического преобразователя практически не ограниченной мощности, поскольку наращивание мощности в такой схеме осуществляется за счет наращивания напряжения в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты. Недостатком известного каскадного преобразователя частоты является большое количество ячеек в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты, а также наличие сложного многообмоточного силового согласующего трансформатора. К недостаткам известного каскадного преобразователя частоты также следует отнести фиксированное и ограниченное число уровней синтезируемого напряжения на выходе каскадного преобразователя частоты при фиксированном количестве ячеек в каждой из фаз, высокая стоимость, а также сложная и разветвленная система управления.
Технический результат предложения заключается в значительном упрощении схемы каскадного преобразователя частоты, сокращении числа элементарных ячеек и упрощении системы управления. Отличительной особенностью схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты является использование всего (M-1)⋅N элементарных ячеек M-фазной схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты по сравнению со схемой классического симметричного каскадного преобразователя частоты в которой используются M⋅N элементарных ячеек (где N - число элементарных ячеек в каждой фазе каскадного преобразователя частоты). Кроме всего прочего за счет сокращения общего количества элементарных ячеек предложенная несимметричная схема каскадного преобразователя частоты позволяет упростить систему управления, а также повысить энергетическую эффективность. Модификации предложенной схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты позволяют увеличить число уровней мгновенно синтезируемого линейного напряжения на выходе каскадного преобразователя частоты, а также повысить надежность работы схемы. Предложенная несимметричная схема каскадного преобразователя частоты и алгоритмы управления ей могут быть использована в классической симметричной схеме каскадного преобразователя частоты в случае частичного или полного выхода из строя элементарных ячеек одной из фаз. При этом сохраниться работоспособность электрического преобразователя и всего электропривода, и он сможет продолжать работать с ограничением, наложенным на величину мощности.
Описанные преимущества достигаются тем, что одна из фаз каскадного преобразователя частоты не содержит элементарных ячеек, а ее вывод соединен с общей точкой соединения остальных фаз каскадного преобразователя частоты. При этом элементарные ячейки остальных фаз осуществляют синтез линейных напряжении, а не фазных как в схеме симметричного каскадного преобразователя частоты.
Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в несимметричной схеме каскадного преобразователя частоты, содержащей систему управления, гальванически изолированные источники переменного напряжения, однофазные преобразователи частоты, причем количество гальванически изолированных источников переменного напряжения равно количеству всех однофазных преобразователей частоты, однофазные преобразователи частоты сгруппированы по нескольким одинаковым группам электрических преобразователей, причем в каждой из групп электрических преобразователей однофазные преобразователи частоты своими выходами соединены последовательно, а выводы первого и последнего однофазного преобразователя частоты образуют соответственно условное начато и конец группы электрических преобразователей, при этом вторая и последующие фазы каскадного преобразователя частоты состоят из одинаковых групп электрических преобразователей, причем условные начала групп электрических преобразователей второй и последующей фазы каскадного преобразователя частоты соединены между собой, а условные концы образуют выходные выводы второй и последующих фаз каскадного преобразователя частоты, каждый из гальванически изолированных источников переменного напряжения своими выводами соединен с входом своего однофазного преобразователя частоты, а система управления соединена с каждым из однофазных преобразователей частоты предусмотрены следующие отличия: выходной вывод первой фазы каскадного преобразователя частоты соединен с общей точкой соединения второй и последующих фаз и условными началами групп электрических преобразователей.
Кроме того, несимметричная схема каскадного преобразователя частоты может быть выполнена так, что однофазные преобразователи частоты выполнены на основе двухзвенных преобразователей частоты.
Кроме того, несимметричная схема каскадного преобразователя частоты может быть выполнена так, что однофазные преобразователи частоты выполнены на основе непосредственных преобразователей частоты.
Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в несимметричной схеме каскадного преобразователя частоты, содержащей систему управления, гальванически изолированные источники постоянного напряжения, однофазные инверторы напряжения, причем количество гальванически изолированных источников постоянного напряжения равно количеству однофазных инверторов напряжения, однофазные инверторы напряжения сгруппированы по нескольким одинаковым группам электрических преобразователей, причем в каждой из групп электрических преобразователей однофазные инверторы напряжения своими выходами соединены последовательно, а выводы первого и последнего однофазного инвертора напряжения образуют соответственно условное начало и конец группы электрических преобразователей, при этом вторая и последующие фазы каскадного преобразователя частоты состоят из одинаковых групп электрических преобразователей, причем условные начала групп электрических преобразователей второй и последующей фазы каскадного преобразователя частоты соединены между собой, а условные концы образуют выходные выводы второй и последующих фаз каскадного преобразователя частоты, каждый из гальванически изолированных источников постоянного напряжения своими выводами соединен с входом своего однофазного инвертора напряжения, а система управления соединена с каждым из однофазных инверторов напряжения предусмотрены следующие отличия: выходной вывод первой фазы каскадного преобразователя частоты соединен с общей точкой соединения второй и последующих фаз и условными началами групп электрических преобразователей.
Кроме того, несимметричная схема каскадного преобразователя частоты может быть выполнена так, что гальванически изолированные источники постоянного напряжения выполнены на разный уровень напряжения, причем в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты содержащей группы электрических преобразователей, напряжение источника постоянного напряжения подключенного ко второму однофазному инвертору напряжения равно удвоенному напряжению источника постоянного напряжения подключенного к первому однофазному инвертору напряжения, напряжение источника постоянного напряжения подключенного к третьему однофазному инвертору напряжения равно удвоенному напряжению источника постоянного напряжения подключенного ко второму однофазному инвертору напряжения и так далее.
Кроме того, несимметричная схема каскадного преобразователя частоты может быть выполнена так, что гальванически изолированные источники постоянного напряжения и однофазные инверторы напряжения выполнены многоуровневыми.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На Фиг. 1 представлена базовый вариант схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты с питанием от источников переменного напряжения; на Фиг. 2 представлена схема несимметричного каскадного преобразователя частоты, элементарные ячейки которого - однофазные преобразователи частоты - реализованы с помощью двухзвенных преобразователей частоты с инверторами напряжения; на Фиг. 3 представлена схема несимметричного каскадного преобразователя частоты элементарные ячейки которого - однофазные преобразователи частоты - реализованы с непосредственных преобразователей частоты; на Фиг. 4 представлена базовый вариант схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты, элементарные ячейки которого реализованы на инверторах напряжения, а питание несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты выполнено с использованием источников постоянного напряжения; на Фиг. 5 представлена схема несимметричного каскадного преобразователя частоты, элементарные ячейки которого реализованы на инверторах напряжения, а питание несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты выполнено с использованием источников постоянного напряжения выполненных на разный уровень напряжения; на Фиг. 6 представлена схема несимметричного каскадного преобразователя частоты, элементарные ячейки которого реализованы на многоуровневых инверторах напряжения, собранных по схеме с нулевой точкой; на Фиг. 7 представлена схема несимметричного каскадного преобразователя частоты, элементарные ячейки которого реализованы на многоуровневых инверторах напряжения собранных по Т-образной схеме инвертора напряжения; на Фиг. 8 представлен пример электропривода на основе несимметричного каскадного преобразователя частоты, содержащем всего четыре элементарные ячейки, реализованные на двухуровневых инверторах напряжения при питании от источников постоянного напряжения с одинаковым уровнем напряжения питания; на Фиг. 9 представлены временные диаграммы при моделировании синтезируемого линейного напряжения (при параметрах системы управления и источников питания: kмод⋅=0,9; ƒ=50 Гц; ƒнес=1000 Гц; Ud=1500 В, и параметрах электродвигателя Рном=8,2 МВт, Uном=2400 В, cos(ϕ)=0,73); на Фиг. 10 представлены временные диаграммы фазного напряжения при моделировании схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты при ее работе на симметричную нагрузку соединенную звездой каждая из ветвей которой представляет собой последовательно соединенные RL с параметрами Rн=0,2 Ом, Lн=0,001 Гн (при параметрах системы управления и источников питания: kмод⋅=0,9; ƒ=50 Гц; ƒнес=1000 Гц; Ud=1500 В); на Фиг. 11 представлены временные диаграммы токов в нагрузке при моделировании схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты при ее работе на симметричную нагрузку соединенную звездой каждая из ветвей которой представляет собой последовательно соединенные RL с параметрами Rн=0,2 Ом, Lн=0,001 Гн (при параметрах системы управления и источников питания: kмод⋅=0,9; ƒ=50 Гц; ƒнес=1000 Гц; Ud=1500 В); на Фиг. 12 представлен результат синтеза выходного линейного синусоидального напряжения путем суммирования напряжений двух (N=2) трехуровневых (L=3) однофазных инверторов напряжения 7-1 (7-2÷7-N), имеющих одинаковое напряжение питания от источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N); на Фиг. 13 представлен результат синтеза выходного линейного синусоидального напряжения путем суммирования напряжений двух (N=2) трехуровневых (L=3) однофазных инверторов напряжения 7-1 (7-2÷7-N), имеющих дифференцированные напряжения питания от источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N); на Фиг. 14 представлен результат синтеза выходного линейного синусоидального напряжения путем суммирования и вычитания напряжений двух (N=2) трехуровневых (L=3) однофазных инверторов напряжения 7-1 (7-2÷7-N), имеющих дифференцированные напряжения питания от источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N); на Фиг. 15 представлена таблица, которая наглядно характеризует связь максимально возможного количества уровней синтезируемого линейного напряжения в зависимости от способа повышения качества напряжения и числа элементарных ячеек в фазах несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты; на Фиг. 16 представлена гистограмма, построенная по таблице Фиг. 12, которая наиболее наглядно показывает связь максимально возможного количества уровней синтезируемого линейного напряжения в зависимости от способа повышения качества напряжения и числа элементарных ячеек в полных фазах (фазах содержащих группы электрических преобразователей) несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты.
Несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, которая представлена на Фиг. 1, содержит систему управления 1, гальванически изолированные источники переменного напряжения 2-1÷2-((M-1)⋅N), однофазные преобразователи частоты 3-1÷3-N. Количество гальванически изолированных источников переменного напряжения 2-1÷2-((M-1)⋅N) равно количеству всех однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-N. Однофазные преобразователи частоты 3-1÷3-N сгруппированы по нескольким одинаковым группам электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1). В каждой из групп электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1) однофазные преобразователи частоты 3-1÷3-N своими выходами соединены последовательно, а выводы первого 3-1 и последнего 3-N однофазного преобразователя частоты образуют соответственно условное начало и конец группы электрических преобразователей 4-1÷4-(M-1). При этом вторая 5-1, и последующие 5-2÷5-(М-1) фазы каскадного преобразователя частоты состоят из одинаковых групп электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1). Условные начала групп электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1) второй 5-1 и последующей 5-2 (5-3÷5-(М-1)) фазы каскадного преобразователя частоты соединены между собой. Условные концы фаз 5-1÷5-(M-1) каскадного преобразователя частоты образуют выходные выводы второй и последующих фаз каскадного преобразователя частоты. Каждый из гальванически изолированных источников переменного напряжения 2-1÷2-((М-1)⋅N) своими выводами соединен с входом своего однофазного преобразователя частоты 3-1÷3-N. Система управления 1 соединена с каждым из однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-N. Выходной вывод первой фазы 5-М каскадного преобразователя частоты соединен с общей точкой соединения второй 5-1 и последующих фаз 5-2÷5-(М-1) и условными началами групп электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1).
Несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, изображенная на Фиг. 2, однофазные преобразователи частоты 3-1÷3-N которой выполненных на основе двухзвенных преобразователях частоты.
Несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, изображенная на Фиг. 3, однофазные преобразователи частоты 3-1÷3-N которой выполненных на основе непосредственных преобразователей частоты.
Несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, которая представлена на Фиг. 4 содержит систему управления 1, гальванически изолированные источники постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N), однофазные инверторы напряжения 7-1÷7-N. Количество гальванически изолированных источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N) равно количеству однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N. Однофазные инверторы напряжения 7-1÷7-N сгруппированы по нескольким одинаковым группам электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1). В каждой из групп электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1) однофазные инверторы напряжения 7-1÷7-N своими выходами соединены последовательно. Выводы первого 7-1 и последнего 7-N однофазного инвертора напряжения образуют соответственно условное начало и конец группы электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1). Вторая 5-1 и последующие фазы 5-2÷5-(М-1) каскадного преобразователя частоты состоят из одинаковых групп электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1). Условные начала групп электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1) второй 5-1 и последующей фазы 5-2 (5-3÷5-(М-1)) каскадного преобразователя частоты соединены между собой. Условные концы групп электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1) образуют выходные выводы второй 5-1 и последующих фаз 5-2÷5-(М-1) каскадного преобразователя частоты. Каждый из гальванически изолированных источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N) своими выводами соединен с входом своего однофазного инвертора напряжения 7-1÷7-N. Система управления 1 соединена с каждым из однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N. Выходной вывод первой фазы 5-М каскадного преобразователя частоты соединен с общей точкой соединения второй 5-1 и последующих фаз 5-2÷5-(М-1) и условными началами групп электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1).
Несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, схема которого представлена на Фиг. 5, содержит гальванически изолированные источники постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N), выполненные на разный уровень напряжения. В каждой из фаз 5-1÷5-(М-1) каскадного преобразователя частоты, содержащей группы электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1), напряжение источника постоянного напряжения 6-2 (6-(N+2), 6-(2⋅N+2)÷6-(M⋅N-2⋅N+2)) подключенного ко второму однофазному инвертору напряжения 7-2 равно удвоенному напряжению источника постоянного напряжения 6-1 (6-(N+1), 6-(2⋅N+1)÷6-(M⋅N-2⋅N+1)) подключенного к первому однофазному инвертору напряжения 7-1. Напряжение источника постоянного напряжения 6-3 (6-(N+3), 6-(2⋅N+3)÷6-(M⋅N-2⋅N+3)), подключенного к третьему однофазному инвертору напряжения 7-3 равно удвоенному напряжению источника постоянного напряжения 6-2 (6-(N+2), 6-(2⋅N+2)÷6-(M⋅N-2⋅N+2)), подключенного ко второму однофазному инвертору напряжения 7-2 и так далее.
Несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, схемы которого представлены на Фиг. 6 и Фиг. 7, содержит гальванически изолированные источники постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N) и однофазные инверторы напряжения 7-1÷7-N которые выполнены многоуровневыми. На Фиг. 6 представлена несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, элементарные ячейки которого - многоуровневые инверторы напряжения - выполнены по схеме с нулевой точкой. На Фиг. 7 представлена несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, элементарные ячейки которого - многоуровневые инверторы напряжения - выполнены по Т-образной схеме.
Работа несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты происходит следующим образом.
Идея создания такого электрического преобразователя, а именно источника напряжения на основе несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты, лежит в основе теоретических основ электротехники, а именно в разделе, связанном с трехфазными электрическими цепями. Известно, что в трехфазных электрических цепях векторная сумма трех линейных напряжении равна нулю. Следовательно, если мы будем синтезировать два линейных напряжения определенным образом из трех, то третье должно синтезироваться автоматически.
В общем случае для М-фазных электрических цепей либо для М-фазных несимметричных каскадных преобразователей частоты (Фиг. 1 - Фиг. 7), если мы будем синтезировать М-1 линейное напряжение определенным образом из М, то последнее должно синтезироваться автоматически. С учетом того что в классической схеме М-фазного каскадного преобразователя частоты в каждой фазе формируются М фазных напряжений, которые имеют одинаковую амплитуду, частоту и сдвинуты по фазе друг относительно друга на угол 
, то для питания электрической нагрузки можно на основе предложенной идеи аналогичным образом реализовать каскадный преобразователь частоты на основе несимметричной схемы. При этом в схеме несимметричного каскадного преобразователя частоты однофазными преобразователями частоты 3-1÷3-N (Фиг. 1 - Фиг. 3) либо однофазными инверторами напряжения 7-1÷7-N (Фиг. 4 - Фиг. 7) группы электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1) фаз 5-1÷5-(М-1) каскадного преобразователя частоты будут синтезироваться линейные напряжения между фазами 5-1÷5-М, 5-2÷5-М…5-(М-1)÷5-М соответственно.
Принцип работы несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты наиболее наглядно поясняется с использованием трехфазного (М=3) несимметричного каскадного преобразователя частоты, фазы 5-1, 5-2 которого состоят из двух (N=2) однофазных инверторов напряжения 7-1, 7-2, представленного на Фиг. 8. Отличительной особенностью схемы (Фиг. 8) несимметричного каскадного преобразователя частоты является отсутствие элементарных ячеек - однофазных инверторов напряжения 7-1, 7-2 в одной из фаз 5-3. При этом однофазные инверторы напряжения 7-1, 7-2 групп электрических преобразователей 4-1, 4-2 будут синтезировать линейные напряжения Uvu (Uwu). При этом первая выходная фаза 5-3 несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты является общей точкой соединения фаз 5-1, 5-2 несимметричного каскадного преобразователя частоты и не содержит элементарных ячеек - однофазных инверторов напряжения 7-1, 7-2.
Более подробно рассмотрим алгоритмы формирования линейных напряжений на выходе несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты. Рассмотрим самый простой алгоритм формирования трехфазного выходного напряжения по закону синусоидальной ШИМ.
Пусть, в системе управления 1 синтезируются функции:
1) напряжений управления (Uvu-ynp, Uwu-ynp) фазами 5-1, 5-2 каскадного преобразователя частоты:
где kмод - коэффициент модуляции (0…1), ω=2⋅π⋅ƒ - угловая частота вращения напряжения управления, ƒ - частота напряжения управления.
В предложенной схеме несимметричного каскадного преобразователя частоты синтезируются именно линейные напряжения управления, а не фазные, как в классической схеме каскадного преобразователя частоты. Следовательно, сдвиг фаз синтезируемых линейных напряжений Uvu между выводами фаз 5-1, 5-3 и Uwu между выводами фаз 5-2, 5-3 составляет 
2) опорных напряжении (Uon++, Uon+, Von- Uon--)
где ωнес=2⋅π⋅ƒнес - угловая частота вращения опорного напряжения, ƒнес - несущая частота опорного напряжения.
3) управления транзисторами VT1÷VT4 инверторов напряжения 7-1 и 7-2 группы электрического преобразователя 4-1, фазы 5-1 несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты
где sign(x) - знаковая функция (знак числа х).
4) управления транзисторами VT1÷VT4 инверторов напряжения 7-1 и 7-2 группы электрического преобразователя 4-2, фазы 5-2 несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты
где sign(x) - знаковая функция (знак числа х).
Используя предложенные алгоритмы, было осуществлено моделирование и синтезированы линейные напряжения на выходе несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты. На Фиг. 9 представлены временные диаграммы при моделировании синтезируемого линейного напряжения (при параметрах системы управления и источников питания: kмод⋅=0,9; ƒ=50 Гц; ƒнес=1000 Гц; Ud=1500 В). На Фиг. 10 представлены временные диаграммы фазного напряжения при моделировании схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты при ее работе на симметричную нагрузку, соединенную звездой каждая из ветвей которой представляет собой последовательно соединенные RL с параметрами Rн=0,2 Ом, Lн=0,001 Гн. На Фиг. 11 представлены временные диаграммы токов в нагрузке при моделировании схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты при ее работе на симметричную нагрузку, соединенную звездой каждая из ветвей которой представляет собой последовательно соединенные RL с параметрами Rн=0,2 Ом, Lн=0,001 Гн.
Работа схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты, состоящего из М фаз 5-1÷5-М (Фиг. 1 - Фиг. 7.) аналогична рассмотренной работе схемы трехфазного несимметричного каскадного преобразователя частоты (Фиг. 8). Следует отметить, что несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, так же, как и классическая симметричная схема обладает большим потенциалом и рядом функциональных возможностей. Так базовые варианты схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты с питанием от источников переменного напряжения 2-1÷2-((M-1)⋅N) (Фиг. 1) могут быть реализованы на основе однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-N, выполненных с помощью двухзвенных преобразователей частоты с инверторами напряжения (Фиг. 2) или на основе однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-N, реализованных с помощью непосредственных преобразователей частоты (Фиг. 3).
Кроме всего предложенная несимметричная схема каскадного преобразователя частоты (Фиг. 5 - Фиг. 7) обладает широчайшими потенциальными возможностями в части улучшения качества синтезируемого линейного напряжения.
Базовый вариант схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты с питанием от источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N) (Фиг. 4) может быть выполнен с использованием однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N и источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N) выполненных на разный уровень напряжения. При этом может быть существенно улучшено качество синтезируемого линейного напряжения на выходе несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты. Кроме всего прочего базовые варианты схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты с питанием от источников постоянного напряжения 6-1÷6-((М-1)⋅N) (Фиг. 4) могут быть реализованы на основе однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N, выполненных: на многоуровневых инверторах напряжения, собранных по схеме с нулевой точкой (Фиг. 6), или на многоуровневых инверторах напряжения, собранных по Т-образной схеме инвертора напряжения (Фиг. 7). При такой схемной реализации несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты качество синтезируемого линейного напряжения может быть еще существенно улучшено даже в сравнении с вариантами схемы изображенной на Фиг. 5.
Более подробно рассмотрим способы увеличения числа уровней синтезируемого линейного напряжения на выходе несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты и, как следствие, возможность повышения качества синтезируемого линейного напряжения и токов в нагрузке.
Повышение качества синтезируемого линейного напряжения на выходе несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты может быть достигнуто:
I. последовательным соединением однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N на основе многоуровневых однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N в фазах 5-1÷5-М несимметричного каскадного преобразователя частоты;
II. последовательным соединением однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N на основе многоуровневых однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N в фазах 5-1÷5-М несимметричного каскадного преобразователя частоты при использовании дифференцированного напряжения питания от многоуровневых источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N);
III. последовательным соединением однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N на основе многоуровневых однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N в фазах 5-1÷5-М несимметричного каскадного преобразователя частоты с дифференцированным уровнем напряжения питания от многоуровневых источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N) с возможностью суммирования и вычитания напряжений однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N.
Предложенные варианты повышения качества синтезируемого линейного напряжения расположены по мере увеличения максимального количества уровней в синтезируемом линейном напряжении на выходе несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты и усложнению как структуры, схемотехники так и алгоритмов управления такими схемами на основе несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты.
I. При последовательном соединений L-уровневых однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N с одинаковым уровнем напряжения питания от многоуровневых источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N) и суммированием их выходных напряжений в фазах 5-1÷5-(М-1) несимметричного каскадного преобразователя частоты максимально возможное число уровней F синтезируемого линейного напряжения равно:
При этом максимальное значение напряжения на выходе каждого однофазного инвертора напряжения 7-1 (7-2÷7-N) должно быть:
где i=1…N - номер однофазного инвертора напряжения 7-1 (7-2÷7-N) группы электрических преобразователей 4-1 (4-2÷4-(М-1)) фазы 5-1÷5-(М-1) несимметричного каскадного преобразователя частоты, umax - максимальное значение напряжения выходной фазы 5-1÷5-(М-1) несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты.
На Фиг. 12 представлен результат синтеза выходного линейного синусоидального напряжения путем суммирования напряжений двух (N=2) трехуровневых (L=3) однофазных инверторов напряжения 7-1 (7-2÷7-N), имеющих одинаковое напряжение питания от источников постоянного напряжения 6-1÷6-((М-1)⋅N).
II. При последовательном соединений L-уровневых однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N с дифференцированным уровнем напряжения питания от многоуровневых источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N) и суммированием их выходных напряжений в фазах 5-1÷5-(М-1) несимметричного каскадного преобразователя частоты максимально возможное число уровней F синтезируемого линейного напряжения равно:
В каждом L-уровневом однофазном инверторе напряжения 7-1 (7-2÷7-N) реализуется 2⋅L-1 уровень напряжения. Тогда минимальный по модулю уровень напряжения, синтезируемого в L-уровневом однофазном инверторе напряжения 7-1 (7-2÷7-N) с номером i, должен быть равен:
где umax - максимальное значение напряжения выходной фазы 5-1÷5-(М-1) несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты.
При этом однофазный инвертор напряжения 7-1 (7-2÷7-N) должен формировать значения напряжений на своем выходе от
до значения 
На Фиг. 13 представлен результат синтеза выходного линейного синусоидального напряжения путем суммирования напряжений двух (N=2) трехуровневых (L=3) однофазных инверторов напряжения 7-1 (7-2÷7-N), имеющих дифференцированные напряжения питания от источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N).
III. При последовательном соединений L-уровневых однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N с дифференцированным уровнем напряжения питания от многоуровневых источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N), с суммированием и вычитанием выходных напряжений ячеек в фазах 5-1+5-(М-1) несимметричного каскадного преобразователя частоты максимально возможное число уровней F синтезируемого линейного напряжения равно:
В каждом L-уровневом однофазном инверторе напряжения 7-1 (7-2÷7-N) реализуется 2⋅L-1 уровень напряжения. Тогда минимальный по модулю уровень напряжения, синтезируемого в L-уровневом однофазном инверторе напряжения 7-1 (7-2÷7-N) с номером i, должен быть равен:
где umax - максимальное значение напряжения выходной фазы 5-1÷5-(М-1) несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты.
При этом однофазный инвертор напряжения 7-1 (7-2÷7-N) должен формировать значения напряжений на своем выходе от
до значения 
На Фиг. 14 представлен результат синтеза выходного линейного синусоидального напряжения путем суммирования и вычитания напряжений двух (N=2) трехуровневых (L=3) однофазных инверторов напряжения 7-1 (7-2÷7-N), имеющих дифференцированные напряжения питания от источников постоянного напряжения 6-1÷6-((М-1)⋅N).
На Фиг. 15 представлено количественное сравнение различных рассмотренных вариантов повышения качества синтезируемого линейного напряжения несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты в зависимости от числа однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N для (N=1…3) и их схемотехнической реализации или топологии (L=2 или 3) в фазах 5-1÷5-(М-1) несимметричного каскадного преобразователя частоты.
На Фиг. 16 изображена гистограмма, построенная по таблице Фиг. 12, которая наиболее наглядно показывает связь максимально возможного количества уровней синтезируемого линейного напряжения в зависимости от способа повышения качества напряжения и числа однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N в группах электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1) фаз 5-1÷5-(М-1) несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты.
Таким образом, отличительной особенностью предложенной схемы является использование всего (M-1)⋅N элементарных ячеек М-фазной схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты по сравнению со схемой классического симметричного каскадного преобразователя частоты. При этом предложенная схема несимметричного каскадного преобразователя частоты позволяет получать абсолютно такие же функциональные возможности присущие схеме классического симметричного каскадного преобразователя частоты. Кроме всего предложенная схема несимметричного каскадного преобразователя частоты характеризуется простотой и универсальностью с использованием стандартных серийно выпускаемых комплектующих изделии, высокими показателями качества выходного напряжения и может быть использована в качестве устройства регулирования момента, скорости или мощности на валу любой электрической машиной переменного тока. Кроме всего предложенная схема и алгоритмы управления могут быть использованы в аварийных режимах в случае отказа одной из фаз (групп электрических преобразователей) классической схемы симметричного каскадного преобразователя частоты. Предложенная схема значительно повышает надежность и живучесть электропривода на основе каскадного преобразователя частоты и позволит оставаться ему в работе при ограничении наложенных на выходные параметры электрического преобразователя. Кроме всего прочего при построении несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты может быть использован бестрансформаторный вариант питания элементарных ячеек, с использованием гальванически развязанных источников питания, что также благоприятно отразится на массогабаритных и энергетических характеристиках всего электропривода. Такое схемное решение наиболее просто реализуется в автономных электроэнергетических системах, например, электродвижительных комплексах судов, для которых как раз очень важны массогабаритные и энергетических характеристики.
Предложенные схемы и алгоритмы управления несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты обладают широчайшими потенциальными возможностями в части улучшения качества синтезируемого напряжения, улучшения энергетической и электромагнитной совместимостей несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты с питающей сетью и нагрузкой и т.д. Предложенные схемные решения и алгоритмы управления повышения качества синтезируемого напряжения схемой несимметричного каскадного преобразователя частоты открывают качественно новые технические возможности по синтезу выходного напряжения высокого качества.
Настоящее изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к статическим многоуровневым электрическим преобразователям на основе каскадного преобразователя частоты, и может быть использовано в высоковольтных частотно-регулируемых электроприводах переменного тока большой мощности с высокими показателями качества синтезируемого напряжения, а также высокими показателями надежности. Техническим результатом изобретения является упрощение схемы каскадного преобразователя частоты, сокращение числа элементарных ячеек и упрощение системы управления. Предложенные схемы и алгоритмы позволяют увеличить число уровней мгновенно синтезируемого линейного напряжения, а следовательно, улучшить его качество, а также могут быть использованы в аварийных режимах в случае отказа одной из фаз классической схемы симметричного каскадного преобразователя частоты. Технический результат обеспечивается тем, что одна из фаз каскадного преобразователя частоты не содержит электрических преобразователей, а ее вывод соединен с общей точкой соединения остальных фаз каскадного преобразователя частоты. При этом элементарные ячейки остальных фаз осуществляют синтез линейных напряжений. Положительным эффектом предложения является повышение энергетической эффективности и КПД, улучшение качества синтезируемого напряжения и тока в нагрузке. Изобретение характеризуется универсальностью, модульностью, простотой и масштабируемостью предложенной структуры, использованием низковольтных элементов в составе электрического преобразователя, высокой степенью надежности и ремонтопригодности. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 16 ил.
1. Несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, содержащая систему управления, гальванически изолированные источники переменного напряжения, однофазные преобразователи частоты, причем количество гальванически изолированных источников переменного напряжения равно количеству всех однофазных преобразователей частоты, однофазные преобразователи частоты сгруппированы по нескольким одинаковым группам электрических преобразователей, причем в каждой из групп электрических преобразователей однофазные преобразователи частоты своими выходами соединены последовательно, а выводы первого и последнего однофазного преобразователя частоты образуют соответственно условное начало и конец группы электрических преобразователей, при этом вторая и последующие фазы каскадного преобразователя частоты состоят из одинаковых групп электрических преобразователей, причем условные начала групп электрических преобразователей второй и последующей фазы каскадного преобразователя частоты соединены между собой, а условные концы образуют выходные выводы второй и последующих фаз каскадного преобразователя частоты, каждый из гальванически изолированных источников переменного напряжения своими выводами соединен с входом своего однофазного преобразователя частоты, а система управления соединена с каждым из однофазных преобразователей частоты, отличающаяся тем, что выходной вывод первой фазы каскадного преобразователя частоты соединен с общей точкой соединения второй и последующих фаз и условными началами групп электрических преобразователей.
2. Несимметричная схема каскадного преобразователя частоты по п. 1, отличающаяся тем, что однофазные преобразователи частоты выполнены на основе двухзвенных преобразователей частоты.
3. Несимметричная схема каскадного преобразователя частоты по п. 1, отличающаяся тем, что однофазные преобразователи частоты выполнены на основе непосредственных преобразователей частоты.
4. Несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, содержащая систему управления, гальванически изолированные источники постоянного напряжения, однофазные инверторы напряжения, причем количество гальванически изолированных источников постоянного напряжения равно количеству однофазных инверторов напряжения, однофазные инверторы напряжения сгруппированы по нескольким одинаковым группам электрических преобразователей, причем в каждой из групп электрических преобразователей однофазные инверторы напряжения своими выходами соединены последовательно, а выводы первого и последнего однофазного инвертора напряжения образуют соответственно условное начало и конец группы электрических преобразователей, при этом вторая и последующие фазы каскадного преобразователя частоты состоят из одинаковых групп электрических преобразователей, причем условные начала групп электрических преобразователей второй и последующей фазы каскадного преобразователя частоты соединены между собой, а условные концы образуют выходные выводы второй и последующих фаз каскадного преобразователя частоты, каждый из гальванически изолированных источников постоянного напряжения своими выводами соединен с входом своего однофазного инвертора напряжения, а система управления соединена с каждым из однофазных инверторов напряжения, отличающаяся тем, что выходной вывод первой фазы каскадного преобразователя частоты соединен с общей точкой соединения второй и последующих фаз и условными началами групп электрических преобразователей.
5. Несимметричная схема каскадного преобразователя частоты по п. 4, отличающаяся тем, что гальванически изолированные источники постоянного напряжения выполнены на разный уровень напряжения, причем в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты, содержащей группы электрических преобразователей, напряжение источника постоянного напряжения, подключенного к соответствующему однофазному инвертору напряжения, равно удвоенному напряжению источника постоянного напряжения, подключенного к предыдущему однофазному инвертору напряжения.
6. Несимметричная схема каскадного преобразователя частоты по п. 4, отличающаяся тем, что гальванически изолированные источники постоянного напряжения и однофазные инверторы напряжения выполнены многоуровневыми.
| БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЛЯ РЕГУЛИРУЕМОГО СРЕДНЕВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА | 2010 |
|
RU2414043C1 |
| US 5625545 A, 29.041997 | |||
| US 5598328 A, 28.01.1998 | |||
| EP 0692211 A2, 08.03.2000. | |||
