Универсальный преобразователь постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора напряжения Российский патент 2024 года по МПК H02M3/07 

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано в источниках и системах вторичного электропитания, при создании многоуровневых инверторов напряжения, а также при реализации автономных многоуровневых систем обмена электрической энергией постоянного тока.

Известно устройство преобразователя постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора напряжения [1]. Устройство состоит из двух независимых источников постоянного напряжения с включенными на их выходе конденсаторами, в котором используются циклические последовательности переключения силовых ключей инвертора, поддерживающие их одинаковую токовую нагрузку, симметричную нагрузку на конденсаторах и малые пульсации напряжения на них.

Недостатками данного устройства являются высокая частота коммутации силовых ключей инвертора, что создает большие потери мощности и необходимость измерения текущих значений тока и напряжения на выходе источников постоянного напряжения, тока и напряжения на выходе инвертора, что усложняет систему управления.

Известно также устройство преобразователя постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора напряжения [2], основой которого выступает один импульсный преобразователь постоянного напряжения (ИППН) с двумя выходами. Регулирование и стабилизация выходного напряжения и тока реактора в преобразователе производится системой управления на основе ШИМ.

Недостатками данного устройства являются повышенное по сравнению с входным выходное напряжение, возможность питания инверторов напряжения, относящихся только к классу с фиксированной нейтральной точкой, а также отсутствие цепей циркуляции реактивной мощности при ее возврате в ИППН от инвертора, питающегося от соответствующего конденсатора. Все это заметно ограничивает функциональные возможности преобразователя постоянного напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство преобразователя постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора напряжения [3]. Формирование уровней напряжения в рассматриваемом источнике питания основано на инвертировании знакопостоянного многоуровневого напряжения, подаваемого на вход инвертора. Знакопостоянное многоуровневое напряжение создается универсальным источником уровней, состоящим из двух ИППН и коммутатора и позволяющим сформировать все уровни напряжения выходной кривой инвертора на соответствующих выходных конденсаторах этих ИППН. Форма кривой указанного знакопостоянного многоуровневого напряжения, имеющего удвоенную частоту по сравнению с выходной частотой инвертора, соответствует форме положительной полуволны выходной кривой инвертора напряжения.

Универсальность источника определяется тем, что структура силовых однофазных схем инверторов напряжения, построенных на его основе, принципиально не зависит от числа уровней выходной кривой инвертора.

Указанная последовательность работы импульсных преобразователей и коммутатора обеспечивается синхронизировано с последовательностью переключений ключей инвертора системой управления преобразователем. При этом система управления обеспечивает также регулирование и стабилизацию текущего значения уровней.

К недостаткам данного устройства следует отнести избыточную установленную мощность элементов схемы. Так как преобразователи постоянного напряжения работают попеременно, это приводит к токовым паузам в реакторах преобразователей и, как следствие, к их неэффективному использованию.

Помимо этого, в рассматриваемом устройстве реализован метод стабилизации выходного напряжения инвертора с многоуровневым формированием выходной характеристики и минимизацией токов реакторов ИППН, основанный на краткосрочном прогнозировании тока нагрузки, в котором достоверность прогноза возможна благодаря синусоидальной форме кривой тока в многоуровневом инверторе [4].

Следует отметить, что данная задача непосредственно решается в ИППН преобразователя, но не на всех участках периодов их работы.

В начале каждого периода работы ИППН имеются две причины, в силу которых ток реактора оказывается неуправляемым.

Первая причина состоит в том, что на нисходящем участке кривой выходного напряжения предыдущего периода в каждом из ИППН происходит «сброс» напряжений уровней, осуществляемый через ключи и и реактор L₁ (L₂). В результате ток реактора увеличивается, поскольку он воспринимает высвобождающуюся энергию разряжающегося конденсатора С₁ (С₂).

Вторая причина неконтролируемого увеличения тока реакторов связана с возвратом реактивной мощности нагрузки инвертора, которая в процессе стабилизации напряжения уровней накапливается также в реакторе L₁ (L₂). При этом токопротекание от нагрузки осуществляется через обратные диоды инвертора и обратный вентиль коммутатора к конденсатору С₁ (С₂) соответствующего ИППН, что приводит к увеличению напряжения на нем, которое компенсируется током реактора. При этом ток реактора увеличивается, так как разряжающее ее подключение через ключи к конденсатору С₁ (С₂) имеет соответствующую полярность.

В результате в начале каждого периода работы ИППН ток реактора существенно превосходит прогнозируемое значение выходного тока импульсного преобразователя. Это превышение соответствует тому, что полученные реактором L₁ (L₂) порции энергии в результате двух рассмотренных процессов консервируются в нем и могут быть использованы в последующих тактах, в которых выходной ток универсального источника уровней положителен.

Таким образом, еще одним недостатком указанного устройства являются существенное превышение токов реакторов прогнозируемых значений и избыточные активные потери в состояниях ИППН, в которых эти токи реакторов замыкаются на ключ и возникающие при импульсном методе стабилизации напряжения на выходе ИППН.

Технической проблемой изобретения является необходимость расширения функциональных возможностей преобразователя постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора напряжения, а также снижение активных потерь ИППН.

Поставленная проблема решается тем, что в универсальном преобразователе постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора напряжения за счет добавления управляемого ключа K₄(K₄) в каждом ИППН, двух управляемых ключей K₅(K'₅) и K₆, конденсатора С₂ и реактора L₂ достигается снижение токов реакторов ИППН до минимальной величины, необходимой для стабилизации напряжения на том выходном конденсаторе, который подключен на текущем такте к входу инвертора.

Сущность изобретения поясняется чертежами: на Фиг. 1 представлен универсальный преобразователь постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора напряжения, на Фиг. 2-4 - состояния управляемых ключей преобразователя.

Универсальный преобразователь постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора содержит универсальный источник уровней, в состав которого входят коммутатор К, ИППН ИП₁ и ИП₂, получающие питание от источника постоянного напряжения U_d. Новыми элементами в преобразователе являются управляемые ключи K₄(K₄), K₅(K₅) и K₆, конденсатор С₂ и реактор L₂.

Конденсатор С₂ служит для временного накопления части энергии, отбираемой от реатора L₁ (L'₁) с целью снижения потерь мощности в контуре, образованном при проводящих состояниях ключей K₂ и K₄ (K'₂ и K'₄) и диода D₁ (D'₁) и непроводящих состояниях ключей K₃, K₅(K[, K₃, K₅)и K₆.

Ключи на схеме соответствуют полностью управляемым вентилям, а стрелка на них указывает положительное направление тока в замкнутом состоянии ключа. При этом ключи K₅(K'₅) и K₆ могут быть реализованы в

виде тиристоров, поскольку их выключение происходит в результате естественной коммутации при прохождении тока через нулевое значение. Остальные ключи преобразователя должны быть реализованы на основе полностью управляемых вентилей.

Устройство в процессе работы пребывает в нескольких состояниях. Рассмотрение проведем для ИП₁.

В состоянии ключей, изображенном на Фиг. 2, для передачи части энергии реактору L₁ конденсатору С₂ отпирается управляемый ключ K₅, затем размыкается ключ K₄. В результате образуется контур, содержащий реактор L₁, ключи K₂, K₅ и конденсатор С₂ (Фиг. 3). При этом конденсатор заряжается с указанной полярностью, а ток реактора L₁ уменьшается.

Уменьшение тока реактора L₁ прерывается при достижении задаваемой величины, превышающей прогнозное значение выходного тока ИППН на некоторую величину, достаточную для надежной стабилизации напряжения очередного уровня. Прерывание определяется замыканием ключа K₄, восстанавливающим исходный контур L₂, K₂, K₄ (Фиг. 2).

Рассмотренный заряд (дозаряд) конденсатора может производиться при каждом возникновении описанного выше состояния вентильного комплекта.

Накопление энергии в конденсаторе С₂ может происходить как за один такт работы ИППН, так и за несколько тактов на разных полупериодах выходной кривой. Это определяется степенью превышения тока реактора прогнозного значения тока, потребляемого инвертором.

Накопленная таким образом в конденсаторе С₂ энергия передается в источник питания преобразователя, что становится возможным, когда напряжение на этом конденсаторе достигнет значения, существенно превышающего напряжения на конденсаторе фильтра источника U_d.

Необходимым условием такой передачи является одновременное разомкнутое состояние ключей K₁ и K₅ (K'₁ и K₅). Для осуществления передачи энергии отпирается ключ K₆, в результате чего образуется контур разряда С₂ на источник питания U_d, содержащий также открытый ключ K₆ и реактор L₂ (Фиг. 4).

Разряд конденсатора С₂ на источник питания U_d в указанном контуре имеет колебательный характер и в случае, когда выходная емкость источника значительно превышает емкость С₂, прерывается при достижении тока нулевого значения. При этом если в начале разряда напряжение на С₂ равно U_d(1+β), то в конце него оно будет близко к величине U_d(1-β), где β - начальное относительное превышение напряжения на конденсаторе С₂ напряжения источника U_d, которое лежит в пределах 0.2 < β < 0.5.

Таким образом, особенности предлагаемой схемы заключаются в реализации универсальным источником формирования уровней обратного тока ректора, осуществляющего накопление возвращаемой энергии в реакторе и в последующем передачу ее в инвертор в качестве активной мощности, и снижении потерь в состояниях ИППН, которые неизбежно возникают при импульсном методе стабилизации напряжения на выходе преобразователя.

Источники информации

1. Martina Calais, Vaasilios G. Agelidis, Michael S. Dymond. When to Switch Which Switch in a Five Level Single Phase Cascaded Inverter // In Conference Proceedings of the AUPEC/EECON'99, Darwin, Australia, September 1999.

2. Nami A., Zare F., Ledwich G., Ghosh A., Blaabjerg F. A new configuration for multilevel converters with diode clamped topology // Power Engineering Conference, 2007. IPEC 2007. International 3-6 Dec. 2007. pp.661- 665.

3. Mirgorodskaya E.E, Mityashin N.P., Kolchev V.A., Tomashevsky Yu.B., Stepanov S.F., Artyukhov D.I. Universal power source of single-phase multilevel inverters // 2019 16th Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems, ELMA 2019: proceedings. Varna, Bulgaria, 2019. pp.337-341.

4. Mirgorodskaya E.E., Mityashin N.P., Mamonychev M.E. Multilevel waveforming inverter output voltage stabilization technique based on short-term load current prediction // 2023 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2023: proceedings. Sochi, Russian Federation, 2023. pp.395-401.

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано в источниках и системах вторичного электропитания, при создании многоуровневых инверторов, а также при реализации автономных многоуровневых систем обмена электрической энергией постоянного тока. Сущность изобретения - универсальный преобразователь постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора напряжения, содержащий универсальный источник уровней, в состав которого входят коммутатор и два импульсных преобразователя постоянного напряжения, получающих питание от источника постоянного напряжения. Новыми элементами в преобразователе являются пять управляемых ключей, дополнительные конденсатор и реактор. Технический результат - расширение функциональных возможностей и снижение активных потерь. 4 ил.

Универсальный преобразователь постоянного напряжения для питания многоуровневого инвертора напряжения, содержащий коммутатор, состоящий из двух пар встречно-параллельных ключей, и два импульсных преобразователя постоянного напряжения, каждый из которых содержит три ключа, два диода, реактор и конденсатор, выводы которого образуют выходы импульсного преобразователя постоянного напряжения, входной вывод которого через первый ключ соединен с катодом первого диода, реактором, к другому выводу которого через второй ключ подключен выходной вывод, а также анод второго диода, катодом соединенного с другим выходным выводом и через третий ключ с катодом первого диода, анод которого подключен к другому входному выводу, получающих питание от источника постоянного напряжения, отличающийся тем, что введены последовательно соединенные реактор, управляемый ключ и конденсатор, подключенные к источнику постоянного напряжения, в каждый импульсный преобразователь постоянного напряжения добавлены два управляемых ключа, один из которых включен между анодом первого диода и выходным выводом, который через другой ключ подключен к выводу конденсатора, который через реактор и управляемый ключ подключен к положительному выводу источника постоянного напряжения.