Инвертор напряжения с мультиуровневой модуляцией
Полезная модель относится к области преобразовательной техники и может применяться для питания потребителей, критичных к величине коэффициента несинусоидальности выходного напряжения инвертора. Задачей заявляемой полезной модели является улучшение коэффициента несинусоидальности выходного напряжения, генерируемого инвертором напряжения, при упрощении схемы и уменьшении массогабаритных показателей инвертора. Решение поставленной задачи достигается путем использования в инверторе:
1. Выбираемого числа N источников питания, величина выходного напряжения каждого из которых прямо пропорциональна его номеру в схеме (от 1 до N);
2. Двух одинаковых транзисторных мостов, к каждому из которых в любой момент времени может быть коммутирован один из источников питания;
3. Суммирующих трансформаторов, установленных на выходе каждого из мостов, таких, что их коэффициенты трансформации отличаются друг от друга в 2N+1 раз.
Таким образом достигается получение (2N+1)2 уровней выходного напряжения, что дает возможность осуществлять 2N·(N+1) - уровневую ступенчатую модуляцию выходного напряжения. Управление мостами инвертора и коммутацию источников питания к мостам осуществляет микроконтроллер.
Полезная модель относится к области преобразовательной техники и может применяться для питания потребителей, критичных к величине коэффициента несинусоидальности выходного напряжения инвертора.
Известны однофазные инверторы напряжения (ИН), которые осуществляют преобразование постоянного напряжения в 4-ступенчатое переменное [1-3]. Недостатком перечисленных схем является высокий коэффициент несинусоидальности КU выходного напряжения, равный 8,9% и выше при нормально допустимом по ГОСТ 8% для сетей 0,38 кВ и 5% для сетей 6-20 кВ. Кроме того, амплитуды нечетных гармоник с номерами 15 и выше значительно превышают максимальные значения, допустимые по ГОСТ [4].
Известен также преобразователь [5], принцип действия которого основан на трансформаторном суммировании выходных напряжений n одноуровневых инверторов с одинаковым входным напряжением, благодаря чему достигается n-уровневая модуляция выходного напряжения. Недостатком является сложность схемы при большом числе уровней, а также необходимость выбора между малой выходной мощностью и увеличением массогабаритных показателей суммирующих трансформаторов при увеличении мощности.
Наиболее близким по структуре к предлагаемому устройству является инвертор [3], состоящий из двух транзисторных мостов с обратными диодами, причем мосты запитаны разными уровнями входного напряжения, величины которых соотносятся как 2:1, и суммирующего трансформатора. При суммировании выходных напряжений двух мостов удается получить 4-уровневое выходное напряжение. Недостатком прототипа является высокая несинусоидальность выходного напряжения.
Таким образом, приведенные аналоги предлагаемого устройства имеют
либо высокий уровень несинусоидальности выходного напряжения, либо высокую сложность схемы и неоптимальные массогабаритные показатели.
Задачей заявляемой полезной модели является улучшение коэффициента несинусоидальности выходного напряжения, генерируемого инвертором напряжения, при упрощении схемы и уменьшении массогабаритных показателей инвертора.
Поставленная задача решается следующим образом. В устройство инвертора напряжения, содержащего два одинаковых транзисторных моста с обратными диодами и два выходных суммирующих трансформатора, которые подключены к выходам мостов, вводятся N источников питания (ИП) постоянного напряжения с номерами от 1 до N. Выходное напряжение U N источника питания с номером N равно
где Umax - амплитуда выходного напряжения ИН; n1 - коэффициент трансформации первого моста. Выходные напряжения остальных ИП равны
где Ui - выходное напряжение ИП с номером i. С целью коммутации ИП к входам транзисторных мостов в схему инвертора для каждого моста между входом моста и выходом каждого ИП введена пара транзисторов, включенных встречно-параллельно, чем обеспечивается возможность подключения каждого моста к одному из N уровней входного напряжения. За счет этого на выходе каждого из мостов инвертора возможно получение 2·N+1 уровней напряжения, считая напряжения противоположных знаков и ноль.
Число витков в суммирующих трансформаторах выбрано таким, что коэффициент трансформации трансформатора второго моста n2 превышает коэффициент трансформации трансформатора первого моста n1 в 2·N+1 раз:
Такое соотношение обеспечивает получение числа уровней выходного
напряжения ИН, равного (2·N+1) 2, включая напряжения противоположных знаков и ноль. В интервале положительных напряжений это позволяет получить
уровней выходного напряжения ИН. Зависимость числа уровней выходного напряжения М от числа источников питания N приведена в таблице 1.
| Таблица 1 | ||||||
| N | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| М | 4 | 12 | 24 | 40 | 60 | 84 |
Таким образом, возможность получения большого числа М уровней выходного напряжения инвертора (мультиуровневая модуляция) обеспечивается за счет добавления к двум мостам ИН N источников питания (N значительно меньше М) и двух двухобмоточных трансформаторов.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами. Для конкретизации изложения на фиг.1 и 2 взято N=3, т.е. вариант с тремя источниками питания. На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства. Фиг.2 поясняет принцип получения (2·N+1) 2=49 уровней выходного напряжения ИН (для упрощения пояснения коэффициенты трансформации выходных трансформаторов первого и второго мостов n1 и n2 взяты равными 1 и 7 соответственно). На фиг.3, 4 и 5 приведены формы выходного напряжения ИН Е длительностью в один период и их гармонический состав для вариантов с N=2, N=3 и N=4 соответственно (амплитуды гармоник напряжения приведены в процентах от амплитуды основной гармоники).
Устройство, приведенное на фиг.1, содержит три источника питания постоянного напряжения 1÷3 с номерами в схеме от 1 до N (т.е. от 1 до 3) соответственно и с выходными напряжениями, вычисляемыми по формулам 1 и 2. Эти ИП предназначены для питания двух транзисторных мостов 4 и 5, состоящих из транзисторов 6÷9 и 10÷13 соответственно и обратных диодов 14÷17 и 18÷21 соответственно. При этом возможность коммутации входов мостов 4 и 5 к одному из ИП 1-3 обеспечивается с помощью транзисторных пар 22÷24 и 25÷27 соответственно, каждая из которых состоит из двух включенных встречно-параллельно транзисторов. Для суммирования выходных напряжений мостов предназначены два суммирующих трансформатора 28 и 29, входы которых подключены к выходам мостов 4 и 5 соответственно, а выходы соединены между собой последовательно. При этом коэффициент трансформации n2 трансформатора 29, подключенного к мосту 5, в 7 раз превышает коэффициент трансформации n 1 трансформатора 28, подключенного к мосту 4 (формула 3). Управляющие входы всех транзисторов схемы подключены к микропроцессорной системе управления (МСУ) 30, запрограммированной на генерацию управляющих сигналов для транзисторов схемы.
Функционирование предлагаемого устройства происходит следующим образом. С целью получения на выходе ИН квазисинусоидального напряжения МСУ 30 через равные интервалы времени 
T изменяет уровень мгновенного напряжения на выходе ИН. При этом интервал T равен T·K/360, где Т - длительность периода основной частоты выходного напряжения ИН, а число К выбирается целым из диапазона 1÷6 и определяет длительность интервала T (при К=1 несинусоидальность выходного напряжения ИН минимальна, однако частота коммутаций транзисторов наиболее высока).
При очередной смене выходного напряжения инвертора МСУ 30 извлекает из внутренней таблицы номер hi требуемого уровня выходного напряжения ИН. Номер hi является целым числом от - М до М, соответствующим уровню мгновенного напряжения на выходе ИН от - Umах до U mах с шагом Umax/M на i-ом интервале периода частоты выходного напряжения, где i за период частоты изменяется от 0 до 360/К-1. Мгновенное напряжение на выходе ИН ei связано с величиной h i соотношением
При этом элемент таблицы с номером i изначально рассчитан по формуле
где round[] - функция, равная целой части аргумента, полученной округлением до ближайшего целого числа; 
- длительность интервала T в электрических радианах.
По полученному значению hi МСУ 30 извлекает из другой внутренней таблицы номера 
1 и 2 требуемых уровней выходного напряжения мостов 4 и 5 соответственно, необходимых для получения на выходе ИН мгновенного напряжения еi. Номера 1 и 2 представляют собой целые числа от -N до N, соответствующие уровням выходного напряжения мостов от -UN до UN с шагом UN/N. Принцип получения этой внутренней таблицы виден на фиг.2. Например, для получения с помощью 24-уровневого ИН (N=3) выходного напряжения +13/24·Umax необходимо получить на выходах мостов 4 и 5 напряжения 2/3·U N и (-1/3)·UN соответственно, откуда 1=2 и 2=-1. Величины 1 и 2 связаны с мгновенным выходным напряжением ИН еi соотношением
В соответствии с полученными номерами 1 и 2 уровней выходного напряжения мостов 4 и 5 МСУ 30 при помощи транзисторных пар 22÷24 и 25÷27 коммутирует к каждому из мостов необходимый ИП и одновременно задает требуемые состояния транзисторов 6÷9 и 10÷13. Принцип формирования управляющих сигналов для транзисторов ИН, изображенного на фиг.1 (с N=3), по номерам уровней напряжений 1 и 2 приведен в таблице 2.
| Таблица 2 | |||||
| k, k=1÷2 (в скобках - напряжение моста) | Формирование для моста 4 (в скобках - для моста 5) | ||||
| Транзисторная пара 22 (25) | Транзисторная пара 23 (26) | Транзисторная пара 24 (27) | Транзисторы 6, 9 (10, 13) | Транзисторы 7, 8 (11, 12) | |
| -3 (-U N) | Открыты | Закрыты | Закрыты | Закрыты | Открыты |
| -2 (-2/3·U N) | Закрыты | Открыты | Закрыты | Закрыты | Открыты |
| -1 (-1/3·U N) | Закрыты | Закрыты | Открыты | Закрыты | Открыты |
| 0 (0) | Закрыты | Закрыты | Открыты | Закрыты | Закрыты |
| 1 (1/3·UN) | Закрыты | Закрыты | Открыты | Открыты | Закрыты |
| 2 (2/3·UN ) | Закрыты | Открыты | Закрыты | Открыты | Закрыты |
| 3 (UN ) | Открыты | Закрыты | Закрыты | Открыты | Закрыты |
- Для возврата реактивной мощности в ИП
В результате такой коммутации транзисторов 6÷9 и 10÷13 и транзисторных пар 22÷24 и 25÷27 на выходах мостов 4 и 5 формируются напряжения, которые после суммирования с помощью трансформаторов 28 и 29 образуют на выходе ИН мгновенное напряжение еi (формула 7). Сигналы управления затем остаются неизменными на протяжении всего интервала T. По завершении интервала T происходит следующая смена выходного напряжения ИН. Процесс повторяется циклически, обеспечивая получение на выходе ИН квазисинусоидального напряжения (формулы 5, 6).
Возврат реактивной мощности нагрузки обеспечивается в источники питания 1÷3 через обратные диоды 14÷17 и 18÷21 и те транзисторные пары из 22÷24 и 25÷27, которые открыты в текущий момент времени. Для этой цели, как следует из таблицы 2, к входу любого моста в момент, когда его выходной уровень напряжения равен нулю, остается подключенным ИП 1.
Технический эффект от использования предлагаемого устройства заключается в существенном уменьшении несинусоидальности выходного напряжения при незначительном усложнении схемы по сравнению с прототипом. Прототип, имеющий один источник питания, обеспечивает получение 4-уровневого выходного напряжения с К U, равным 8,9%. Предлагаемое устройство в варианте с одним ИП (N=1) способно сгенерировать 4-уровневое выходное напряжение с КU, равным 7,85% без существенного усложнения устройства; при большем числе ИП предлагаемое устройство обеспечивает мультиуровневую ступенчатую модуляцию выходного напряжения со значительно меньшими КU. Зависимость значений КU выходного напряжения ИН от числа источников питания N приведена в таблице 3.
| Таблица 3 | ||||||
| N | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| KU | 7,85% | 1,45% | 0,47% | 0,36% | 0,27% | 0,14% |
Из-за низкой несинусоидальности напряжения на выходе ИН с мультиуровневой модуляцией и отсутствия при управлении широтно-импульсной модуляции необходимости установки на выходе инвертора фильтров высших гармоник в большинстве случаев нет.
Предлагаемое устройство позволяет также получить заданную несинусоидальность выходного напряжения при более простом устройстве схемы по сравнению с аналогом [5], что обеспечивает лучшие массогабаритные показатели. Так, в предлагаемом устройстве для получения 4-уровневого выходного напряжения необходим один источник питания, два одноуровневых транзисторных моста и два суммирующих трансформатора, тогда как в указанном аналоге для достижения того же эффекта необходим один источник питания, четыре одноуровневых транзисторных моста и четыре суммирующих трансформатора. При увеличении числа уровней выходного напряжения эта разница становится еще более ощутимой.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. А. с. 1387149 СССР, МПК Н 02 М 7/48. Преобразователь постоянного напряжения в квазисинусоидальное [Текст] / Умаров Б.У.; Шаисламов Ш.Ш.; Халбаев М.У.; Халбаева А.Л. (СССР). - Заявл. 23.12.85, №3993603; опубл. 07.04.88.
2. А. с. 165816 СССР, МПК Н 02 М 7/537. Способ бестрансформаторного статического преобразования постоянного тока в переменный [Текст] / Штейнер Р.Т. (СССР). - Заявл. №828239; опубл. 1964, бюл. №20.
3. Свид-во РФ на полезную модель №16888. Однофазный инвертор с многоуровневым выходным напряжением [Текст] / Голембиовский Ю.М., Колдаев Р.В. (РФ). - Заявл. 11.07.00, №2000118267/20; опубл. 20.02.01.
4. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Изд-во стандартов, 1998. - 32 с.
5. А. с. 1046876 СССР, МПК Н 02 М 7/48. Способ преобразования постоянного напряжения в многоступенчатое переменное [Текст] / Мыцык Г.С.; Иванов Ю.П.; Михеев В.В. (СССР). - Заявл. 25.06.79, №2782828; опубл. 07.10.83, бюл. №37.
Инвертор напряжения с мультиуровневой модуляцией выходного напряжения, состоящий из двух транзисторных мостов и предназначенных для суммирования их выходных напряжений двух трансформаторов, управляемый микропроцессорной системой управления, отличающийся тем, что мосты инвертора запитаны от заданного числа N источников питания с возможностью коммутации к каждому из мостов в любой момент времени одного источника питания, причем выходное напряжение каждого из источников питания прямо пропорционально его номеру от 1 до N в схеме инвертора, а трансформаторы выполнены с таким числом витков в обмотках, что их коэффициенты трансформации отличаются друг от друга в 2N+1 раз.
