Однофазный пятиуровневый инвертор тока Российский патент 2023 года по МПК H02M7/501 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах регулируемого электропривода переменного тока и в системах вторичного и автономного электроснабжения.

Известен пятиуровневый однофазный инвертор тока [Мальнев А.И., Баховцев И.А., Зиновьев Г.С. Обзор многоуровневых инверторов тока ветроэнергетических станций. - Известия Томского политехнического университета. - 2015. - Т. 326. - № 7. - Стр. 15-26]. Схема содержит источник тока, подключенный к двум однофазным мостам, параллельно работающим на одну нагрузку, которая подключается между общими средними точками стоек (плеч) мостов. В однофазных мостах в качестве однонаправленного полностью управляемого ключа используется транзистор с последовательно включенным диодом. К положительной и отрицательной шинам источника питания один мост подключается непосредственно, а второй - через соответствующие две индуктивности, выступающие в роли делителя тока источника тока. Таким образом через открытые ключи диагоналей каждого моста в нагрузку протекает половинный ток от источника тока. При соответствующем управлении в нагрузке можно получить 5 уровней тока: I, I/2, 0, - I/2, -I, где I - ток источника тока. В частности нулевой ток в нагрузке обеспечивается отпиранием ключей одной из стоек однофазных мостов, обеспечивая контур протекание тока источника тока, минуя нагрузку.

Недостатком данного пятиуровневого однофазного инвертора тока яв-ляется большое количество ключей, что приводит к сложной системе управ-ления и высоким коммутационным потерям.

Наиболее близким решением к заявленному изобретению (прототипом) является пятиуровневый однофазный инвертор тока [Noguchi S. New H-Bridge Multilevel Current-Source PWM Inverter with Reduced Switching Device Count / S. Noguchi, T. Noguchi // The 2010 International Power Electronics Conference. - P. 103-107.], который содержит два источника тока, подключенные к однофазному мосту, однонаправленные полностью управляемые ключи которого представляют собой последовательное соединение транзистора и диода, а также дополнительный однонаправленный полностью управляемый ключ. Нагрузка инвертора тока, к которой параллельно подключен конденсатор, включена между средними точками плеч моста. Оба источника тока своим минусовым полюсом подключены к минусовой шине однофазного моста непосредственно, а плюсовым полюсом к плюсовой шине моста второй источник подключается прямо, а первый - через дополнительный диод. Кроме того, анод упомянутого диода также подключен к положительному выводу дополнительного однонаправленного ключа, подключенного своим вторым отрицательным выводом к общей минусовой шине схемы.

Недостатком упомянутого пятиуровневого однофазного мостового инвертора тока, является то, что схема адекватно работает только при активном характере эквивалентной для инвертора тока нагрузке. Это обеспечивается при компенсации реактивной мощности, в общем случае, активно-индуктивной нагрузки параллельно подключенным к ней конденсатором. В случае же недокомпенсации или перекомпенсации имеет место искаженная форма выходного тока инвертора и, соответственно, форма напряжения и тока нагрузки. Причиной этого является неуправляемая цепь с дополнительным диодом, через который ток первого источника тока может поступать в нагрузку самопроизвольно на интервалах сдвига фаз между выходным током инвертора и напряжением нагрузки. Огибающая импульсного напряжения в звене постоянного тока (между шинами моста), к которому катодом подключен дополнительный диод, определяется напряжением на конденсаторе, подключенном параллельно активно-индуктивной нагрузке. Так как напряжение на нем отстает от выходного тока инвертора при перекомпенсации (опережает при недокомпенсации), то в начале (в конце), например, отрицательной полуволны выходного тока оно (напряжение) в течение интервала времени, равному сдвигу фаз, остается положительным. Но в звене постоянного тока, поскольку уже работает другая диагональ моста, этот участок напряжения конденсатора становится отрицательным и дополнительный диод, естественно, открывается, что и приводит на этом интервале к упомянутым искажениям.

Технический результат предлагаемого изобретения - обеспечение качества формы тока нагрузки однофазного пятиуровневого инвертора тока во всем диапазоне изменения параметров эквивалентной нагрузки.

Это достигается тем, что в пятиуровневом инверторе тока, содержащем два источника тока, типовой однофазный мостовой инвертор тока, четыре однонаправленных полностью управляемых ключа которого представляют собой последовательное соединение транзистора и диода, а также один аналогичный дополнительный однонаправленный полностью управляемый ключ и дополнительный диод, причем, нагрузка инвертора тока, к которой параллельно подключен конденсатор, включена между средними точками плеч моста, оба источника тока своим минусовым полюсом подключены к минусовой шине однофазного моста непосредственно, а плюсовым полюсом к плюсовой шине моста второй источник прямо, а первый источник - через дополнительный диод, положительный вывод которого подключен к положительному выводу дополнительного однонаправленного ключа, подключенного своим отрицательным выводом к общей минусовой шине схемы, в цепь с дополнительным диодом последовательно включен транзистор, преобразующий данную цепь в однонаправленную и полностью управляемую.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого пятиуровневого однофазного инвертора тока; на фиг. 2 изображены схемы проводимости тока через эквивалентную нагрузку в зависимости от состояния ключей; на фиг. 3 и фиг. 4 представлены осциллограммы выходного тока и напряжения инвертора и сигналов системы управления соответственно для пяти- и трехуровневой формы выходного тока инвертора; на фиг. 5 изображена система управления предлагаемым инвертором тока; на фиг. 6 и фиг. 7 изображены осциллограммы тока и напряжения на нагрузке и сигналов системы управления, поясняющие работу устройства-прототипа соответственно при перекомпенсации и недокомпенсации активно-индуктивной нагрузки инвертора тока параллельно подключенным к ней конденсатором.

На фиг. 1 и фиг. 2 изображены источники тока 1 и 2, транзисторные полностью управляемые ключи 4, 6, 8, 10, 13, 16, диоды 3, 5, 7, 9, 14, 15, нагрузка 11 и конденсатор 12. Также на фиг. 1 показаны сигналы управления у4, у6, у8, у10, у13, у16 одноименными транзисторами ключами. На фиг. 5 изображены генератор модулирующего сигнала (ГМН) 17, генератор опорного напряжения (ГОН) 18 и генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) 21, первый компаратор (К1) 19 и второй компаратор (К2) 28, первый логический элемент «2И» (И1) 20 и второй логический элемент «2И» (И2) 22, четыре логических элемента «НЕ» 23, 24, 29 и 30, сумматор 26, источник постоянного напряжения Егон 27, равного амплитуде опорного сигнала.

Предлагаемое устройство (фиг. 1), является пятиуровневым инвертором тока и содержит два источника тока 1 и 2, типовой однофазный мостовой инвертор тока, четыре однонаправленные полностью управляемые ключи которого представляют собой последовательное соединение диодов и транзисторов, соответственно 3 и 4, 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10, а также два аналогичных дополнительных однонаправленных полностью управляемых ключа, соответственно 14 и 13, 15 и 16, причем, нагрузка инвертора тока 11, к которой параллельно подключен конденсатор 12, включена между средними точками плеч моста, оба источника тока своим минусовым полюсом подключены к минусовой шине однофазного моста непосредственно, а плюсовым полюсом к плюсовой шине моста источник 2 прямо, а источник 1 - через первый дополнительный управляемый ключ 14-13, положительный вывод которого подключен к положительному выводу второго дополнительного однонаправленного ключа 15-16, подключенного своим отрицательным выводом к общей минусовой шине схемы.

Предлагаемая схема пятиуровневого инвертора тока работает следующим образом. За период выходного тока схема может находиться в пяти разных состояниях, которые соответствуют пяти разным уровням тока на эквивалентной нагрузке и которым соответствуют 5 схем проводимости тока, представленных на фиг. 2. При этом подразумевается, что величина тока каждого источника тока равна I/2. В режиме, когда ток на нагрузке равен I (фиг 2 а), ток протекает от источника тока 2 (пунктирная линия со стрелками) непосредственно, а от источника 1 (тонкая сплошная линия со стрелками) - через первый дополнительный ключ 14-13. Суммируясь на плюсовой шине инвертора тока, ток I далее протекает через ключ 3-4, через эквивалентную нагрузку 11, 12 и через ключ 9-10, замыкаясь на отрицательном полюсе источников тока. В режиме, когда ток на нагрузке равен I/2 (фиг. 2 б), ток от источника 1 не поступает в нагрузку, так как замкнут контур через ключ 15-16, а второй дополнительный ключ 14-13 разомкнут. Ток источника тока 2, как и в предыдущем режиме, проходит через ключ 3-4, эквивалентную нагрузку 11, 12, ключ 9-10 и далее к отрицательному полюсу источников тока. В режиме, когда ток нагрузки равен 0 (фиг. 2 д), ток от источника 1 замыкается через ключ 15-16 и возвращается в источник 1, ток из источника 2 проходит (возможны два варианта) через ключ 3-4 (5-6), ключ 7-8 (9-10) и возвращается в источник 2. В режиме когда ток равен -I/2 (фиг. 2 в) ток от источника 1 проходит через ключ 15-16 и возвращается в источник 1, ток из источника 2 проходит через ключ 5-6, эквивалентную нагрузку 11, 12, ключ 7-8 и возвращается в источник 2. В режиме когда ток нагрузки равен -I (фиг. 2 г), ток протекает от источника тока 1 через первый дополнительный ключ 14-13, а от источника 2 непосредственно. Суммируясь на плюсовой шине инвертора тока, ток I далее протекает через ключ 5-6, дальше он проходит через эквивалентную нагрузку 11, 12 (уже в обратном направлении) и через ключ 7-8 замыкается на отрицательном полюсе источников тока 1 и 2. Когда через эквивалентную нагрузку 11, 12 протекают токи I/2 и I, напряжение на конденсаторе 12 заряжается в положительной полярности. Когда через эквивалентную нагрузку 11, 12 протекают противоположные токи -I/2 и -I, напряжение на конденсаторе 12 перезаряжается в отрицательной полярности. При этом на начальном участке новой полуволны напряжение на конденсаторе остается в течение некоторого времени в противоположной полярности и потом по мере перезаряда переходит в новую полярность.

Работа устройства в установившемся режиме помимо фиг. 2 дополняется осциллограммами, изображенными на фиг. 3 и фиг. 4, полученными в среде моделирования PSIM, где:

Vcarry - пилообразный опорный сигнал;

Vma - модулирующий синусоидальный сигнал;

Ia - выходной ток инвертора тока (см. рис. 1);

U_load - напряжение на нагрузке (или параллельном конденсаторе);

Ud - напряжение между плюсовой и минусовой шинами мостового инвертора тока;

Y4 - импульс управления транзистором 4, его инверсия подается на транзистор 6;

Y13 - импульс управления транзистором 13, его инверсия подается на транзистор 16.

В установившемся режиме (фиг. 2) конденсатор 12 заряжается и разряжается так, что на нагрузке получается практически синусоидальное напряжение U_load (см. фиг. 3). Процесс повышения напряжения (заряд конденсатора) происходит пока импульсный ток нагрузки Ia больше нуля, а снижение напряжения (перезаряд конденсатора) происходит, когда ток нагрузки течет в обратном направлении.

На фиг. 3 представлены временные диаграммы силовой схемы и системы управления при глубине модуляции (отношение амплитуд модулирующего Vma и опорного Vcarry сигналов) больше 1. В этом случае выходной ток имеет пятиуровневую форму и за период выходного напряжения происходит 36 смен режимов протекания тока, это реализуется системой управления за счет ШИМ: 6 раз ток равен нулю, 9 раз ток равен I/2, 9 раз ток равен -I/2, 6 раз ток равен I, 6 раз ток равен -I. В модели силовой схемы I/2 = 50 А.

На фиг. 4 представлены временные диаграммы силовой схемы и системы управления при глубине модуляции меньше 1. В этом случае выходной ток имеет трехуровневую форму и за период выходного напряжения происходит 32 смены режимов протекания тока, это реализуется системой управления за счет ШИМ: 16 раз ток (см. фиг. 4) равен нулю, 8 раз ток равен I/2, 8 раз ток равен -I/2.

Импульсы управления транзистором 4 (y4) для случая глубины модуляции больше 1 формируются следующим образом (см. фиг. 5): модулирующий и опорный сигналы соответственно с генератора модулирующего напряжения (ГМН) 17 и с генератора опорного напряжения (ГОН) 18 поступают на первый компаратор (К1) 19, выходной сигнал с компаратора 19 поступает на один из входов первого логического элемента «И» (И1) 20, на второй вход которого поступает прямоугольный сигнал с генератора прямоугольных импульсов (ГПИ) 21, одновременно этот сигнал как сигнал у10 поступает на транзистор 10. Инверсия сигнала у10, формируемая логическим элементом «НЕ» 24, в качестве сигнала у8 поступает на транзистор 8. Сигналы у8 и у10 обеспечивают переключение диагоналей моста и, соответственно, переход с одного направления тока на другое, или переход с одной полярности на противоположный. На второй логический элемент «И» (И2) 22 поступают сигналы с компаратора 19, инвертированные логическим элементом «НЕ» 23, и с генератора прямоугольных импульсов 21, инвертированные логическим элементом «НЕ» 24. Выходные сигналы с обоих логических элементов «И» 20 и 22 поступают на входы логического элемента «ИЛИ» 25. Выходной сигнал этого элемента y4 поступает на транзистор 4, а инвертированный логическим элементом «НЕ» 29 сигнал y6 поступает на транзистор 6.

Импульс управления транзистором 13 формируется следующим образом: модулирующий сигнал из ГМН 17 поступает на сумматор 26, на вычитающий вход которого поступает сигнал, равный амплитуде опорного сигнала из блок Егон 27. Разностный сигнал (т.е. та часть модулирующего сигнала, которая превышает амплитуду опорного сигнала) и опорный сигнал с ГОН 18 поступают на второй компаратор (К2) 28. Выходной сигнал у13 второго компаратора (К2) 28 поступает на транзистор 13, а инвертированный логическим элементом «НЕ» 30 сигнал у16 - на транзистор 16. Таким образом, транзистор 13 начинает работать только при формировании пятиуровневой формы выходного тока инвертора, когда глубина модуляции больше единицы и в нагрузку должен поступать ток ± I.

В то же время при трехуровневой форме выходного тока (см. фиг. 4) транзистор 16 всегда включен, замыкая через себя ток источника тока 1, а транзистор 13 всегда закрыт, предотвращая включение диода 14 на начальном (конечном) участке новой полуволны и протекание тока источника тока 1 в нагрузку, которое искажает выходные сигналы инвертора тока, что и происходит в устройстве прототипа, в котором отсутствует транзистор 13. Временные диаграммы для устройства прототипа в режимах перекомпенсации и недокомпенсации соответственно показаны на фиг. 6 и фиг. 7.

Таким образом, техническим результатом заявляемого устройства является обеспечение качества выходного тока инвертора во всем диапазоне изменения параметров эквивалентной нагрузки, как показано на фиг. 3 и фиг. 4, в отличие от устройства-прототипа, в звене постоянного тока которого происходит неконтролируемое протекание импульсного тока в начале (конце) периода, как показано на фиг. 6 и фиг. 7.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах регулируемого электропривода переменного тока и в системах вторичного и автономного электроснабжения. Пятиуровневый инвертор тока и содержит два источника тока, типовой однофазный мостовой инвертор тока, четыре однонаправленных полностью управляемых ключа которого представляют собой последовательное соединение транзистора и диода, а также один аналогичный дополнительный однонаправленный полностью управляемый ключ и дополнительный диод, причем, нагрузка инвертора тока, к которой параллельно подключен конденсатор, включена между средними точками плеч моста, оба источника тока своим минусовым полюсом подключены к минусовой шине однофазного моста непосредственно, а плюсовым полюсом к плюсовой шине моста второй источник прямо, а первый источник - через дополнительный диод, положительный вывод которого подключен к положительному выводу дополнительного однонаправленного ключа, подключенного своим отрицательным выводом к общей минусовой шине схемы, отличающийся тем, что в цепь с дополнительным диодом последовательно включен транзистор, преобразующий данную цепь в однонаправленную и полностью управляемую. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении качества формы тока нагрузки однофазного пятиуровневого инвертора тока во всем диапазоне изменения параметров эквивалентной нагрузки. 7 ил.

Пятиуровневый инвертор тока, содержащий два источника тока, типовой однофазный мостовой инвертор тока, четыре однонаправленных полностью управляемых ключа которого представляют собой последовательное соединение транзистора и диода, а также один аналогичный дополнительный однонаправленный полностью управляемый ключ и дополнительный диод, причем, нагрузка инвертора тока, к которой параллельно подключен конденсатор, включена между средними точками плеч моста, оба источника тока своим минусовым полюсом подключены к минусовой шине однофазного моста непосредственно, а плюсовым полюсом к плюсовой шине моста, второй источник прямо, а первый источник - через дополнительный диод, положительный вывод которого подключен к положительному выводу дополнительного однонаправленного ключа, подключенного своим отрицательным выводом к общей минусовой шине схемы, отличающийся тем, что в цепь с дополнительным диодом последовательно включен транзистор, преобразующий данную цепь в однонаправленную и полностью управляемую.