Что такое двухуровневый преобразователь

Трехфазный двухуровневый автономный инвертор напряжения

Преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение может осуществляться с помощью инвертора, выполненного на транзисторных модулях IGBT или на приборах IGCT. Одним из наиболее простых преобразователей этого типа является автономный инвертор напряжения (АИН), схема которого представлена на рис 1.1.

Рис. 1.1 Схема с автономным инвертором напряжения

Питание инвертора осуществляется от источника постоянного напряжения u_k. На входе инвертора используется сглаживающий дроссель с индуктивностью Id и током id. В цепи выпрям­ленного напряжения инвертора имеется конденсатор с емкостью с и током i_c. Трехфазный мосто­вой инвертор содержит шесть транзисторов, каждый из которых зашунтирован обратным диодом. Транзисторы подключены к положительному и отрицательному полюсам конденсатора, а также к фазам нагрузки. Трехфазная нагрузка представлена индуктивностями 1_н и активными сопротивле­ниями г_н. Она имеет фазные напряжения u_n и токи i_n. (п=1, 2, 3).

При анализе данной схемы и других рассматриваемых в книге схем предполагается, что вентили (транзисторы и диоды) являются идеальными ключами. В открытом состоянии они замы­кают накоротко участки электрических цепей, в закрытом состоянии разрывают их.

Другое допущение – каждые два транзистора, подключенные к одной фазе нагрузки, рабо­тают в противофазе, если один транзистор открыт, другой закрыт и наоборот. Отсутствуют ситуа­ции, в которых оба транзистора одной фазы закрыты или оба открыты. При этом состояния тран­зисторов описываются функциями k_m (п=1, 2, 3). Функции k_m принимают значение 1, если открыт транзистор или обратный диод, подключающие фазу к положительному полюсу конденсатора, и значение 0, если открыт транзистор или обратный диод, подключающие фазу к отрицательному полюсу. В этом случае все вентили, подключенные к одной фазе нагрузки, описываются одной функцией.

В схеме рис. 1.1 с помощью транзисторов и обратных диодов фазы нагрузки подключают­ся или к положительному или к отрицательному полюсу конденсатора или замыкаются накоротко. За счет изменения соотношения длительностей замыкания нагрузки накоротко и подключения ее к полюсам конденсатора изменяются напряжения на выходе инвертора. Преобразователь в этом случае работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

При переключении транзисторов изменяется структура схемы и электрические контуры, в которых протекают токи. Характерные состояния схемы изображены на рис. 1.2.

Рис. 1.2 Состояния схемы с инвертором напряжения при переключении транзисторов

Как изображено на рис. 1.2, в состоянии схемы 1) в 1 фазе инвертора открыт верхний тран­зистор, во 2 и в 3 фазах открыты нижние транзисторы. Токи в инверторе протекают через откры­тые транзисторы в соответствии с направлениями токов в фазах. Закрытые транзисторы и диоды отброшены, поскольку токов в них нет.

Если верхний транзистор 1 фазы закрывается, а нижний транзистор этой фазы открывает­ся, то в соответствии со знаками токов нагрузки открывается обратный диод нижнего транзистора

1 фазы. При этом схема переходит в состояние 2). Ветви схемы, в которых токи отсутствуют, так­же отброшены. В состоянии схемы 2) цепь источника питания и сглаживающего дросселя замкну­та на конденсатор. Фазы нагрузки замкнуты накоротко через вентили инвертора. Электрическая связь источника питания и нагрузки отсутствует.

Если в состоянии схемы 2) во 2 фазе закрывается нижний транзистор и, соответственно, открывается верхний транзистор, то схема переходит в состояние 3), в котором связь источника питания и нагрузки восстанавливается.

Схема переходит в состояние 4), когда в 1 фазе закрывается нижний транзистор, а верхний транзистор открывается.

Из состояния 4) схема может перейти в состояние 5), если откроется верхний транзистор в

Из состояния 5) в состояние 6) схема может перейти, если в 1 фазе закроется верхний тран­зистор, а нижний откроется.

Указанные переходы схемы из одних состояний в другие определяются системой управле­ния и знаками токов в индуктивностях.

Как видно из рис. 1.2, при принятых допущениях ток фазы нагрузки протекает всегда через то плечо моста, в котором находится открытый транзистор (при идеальных ключевых элементах).

В схеме рис. 1.1 для формирования выходных напряжений инвертора используется два уровня напряжения – 0 (при коротком замыкании фаз нагрузки) и напряжение конденсатора. По этому признаку, по аналогии с многоуровневыми системами [40], [49], рассматриваемый преобра­зователь можно называть двухуровневым.

При математическом описании и моделировании двухуровневого автономного инвертора напряжения используется более подробная схема замещения, которая представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3 Схема преобразования с двухуровневым АИН

В схеме рис. 1.3, кроме указанных выше параметров, во входном дросселе учтено активное сопротивление r_d, в конденсаторе учтено активное сопротивление г_с. Параллельно конденсатору включена цепь защиты от перенапряжений с активным сопротивлением r_z и током i_z. Состояние транзистора в цепи защиты от перенапряжений описывается функцией k_z (k_z=0, если транзистор закрыт, k_z=l, если транзистор открыт). В инверторе учитывается входной (выпрямленный) ток i_dl, а также токи в плечах моста i_m (п=1, 2,… 6).

При математическом моделировании рассматриваемой схемы на каждом шаге расчета At определяется напряжение на емкости и_с и ветвь с конденсатором заменяется зависимым источни­ком напряжения и_гс Г21:

Далее, в соответствии с другим известным методом электротехники [1], зависимый источ­ник напряжения и_гс переносится в другие ветви схемы, соединенные друг с другом в положитель-

ном полюсе цепи выпрямленного напряжения, – в ветвь источника питания, в цепь защиты от пе­ренапряжений и в цепь выпрямленного тока инвертора. Из цепи выпрямленного тока инвертора этот источник переносится далее в плечи транзисторного моста, подключенные к положительному полюсу. В результате выделяются подсхемы, изображенные на рис. 1.4, которые имеют взаимные связи через зависимые источники напряжения U_rc и тока i_c.

Рис. 1.4 Разделение схемы с трехфазным двухуровневым транзисторным инвертором

на взаимосвязанные подсхемы

Подсхемы рис. 1.4 и их взаимные связи описываются следующими уравнениями.

Фазные ЭДС инвертора:

Рис. 1.8 Напряжения и токи трехфазного двухуровневого АИН при работе в режиме перемодуляции

Из таблицы 1.1 видна характерная особенность рассматриваемого процесса – частота наи­больших высших гармонических составляющих выпрямленного тока и тока конденсатора 4000 Гц, то есть равна удвоенной частоте пилообразного напряжения. В напряжениях нагрузки с частотой основных составляющих 50 Гц высшие гармонические составляющие наиболее значительны на частотах 4000-50=3950 Гц и 4000+50=4050 Гц.

Из представленных расчетов видно, что для систем с двухуровневыми АИН характерны значительные пульсации напряжения на стороне трехфазной нагрузки. Эти пульсации существуют на повышенной частоте, определяемой частотой пилообразного напряжения.

При работе инверторов с перемодуляцией выходные напряжения имеют трапецеидальную форму, и в них присутствуют высшие гармонические составляющие, частота которых кратна ос­новной частоте.

Другая характерная особенность систем с двухуровневыми АИН заключается в том, что максимальное напряжение на стороне переменного тока ограничено. В режиме синусоидальной ШИМ напряжение нагрузки ограничивается в соответствии с известной формулой [25]:

где U_rc – среднее значение выпрямленного напряжения.

В режиме фазной коммутации напряжение нагрузки ограничивается в соответствии с дру­гой известной формулой [25]:

Необходимо также отметить, что системы с двухуровневыми АИН изготавливаются на сравнительно низкое напряжение, которое определяется номинальным напряжением используе­мых транзисторных модулей.

Пронин М.В., Воронцов А.Г., Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет) / Под ред. Крутякова Е.А. СПб: «Электросила», 2003. – 172 с.

Источник

Частотный преобразователь

Преобразователи частоты находят все более широкое применение в различных приложениях промышленности и транспорта. Благодаря развитию силовых полупроводниковых элементов, инверторы напряжения и инверторы тока с ШИМ управлением получают все более широкое распространение. Устройства, которые преобразуют постоянный сигнал в переменный, с желаемым напряжением и частотой, называются инверторами. Такое преобразование может быть осуществлено с помощью электронных ключей (BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO) и тиристоров в зависимости от задачи.

На данный момент основная часть всей производимой электрической энергии в мире используется для работы электрических двигателей. Преобразование электрической мощности в механическую мощность осуществляется с помощью электродвигателей мощностью от меньше ватта до нескольких десятков мегаватт.

Конструкция частотного преобразователя

Основными элементами частотного преобразователя являются силовая часть (преобразователь электрической энергии) и управляющее устройство (контроллер). Современные частотные преобразователи обычно имеют модульную архитектуру, что позволяет расширять возможности устройства. Также зачастую имеется возможность установки дополнительных интерфейсных модулей и модулей расширения каналов ввода/вывода.

Методы управления

Инвертор напряжения

Инвертор напряжения наиболее распространен среди силовых преобразователей.

Двухуровневый инвертор напряжения

Двухуровневый инвертор напряжения (two-level voltage-source inverter) – наиболее широко применяемая топология преобразователя энергии. Он состоит из конденсатора и двух силовых полупроводниковых ключей на фазу. Управляющий сигнал для верхнего и нижнего силовых ключей связан и генерирует только два возможных состояния выходного напряжения (нагрузка соединяется с положительной или отрицательной шиной источника постоянного напряжения).

Используя методы модуляции для генерирования управляющих импульсов возможно синтезировать выходное напряжение с желаемыми параметрами (формой, частотой, амплитудой). Из-за содержания высоких гармоник в выходном сигнале для генерирования синусоидальных токов выходной сигнал необходимо фильтровать, но так как данные преобразователи обычно имеют индуктивную нагрузку (электродвигатели) дополнительные фильтры используются только при необходимости.

Максимальное выходное напряжение определяется значением постоянного напряжения звена постоянного тока. Для эффективного управления мощной нагрузкой требуется высокое постоянное напряжение звена постоянного тока, но на практике это напряжение ограничено максимальным рабочим напряжением полупроводников. Для примера низковольтные IGBT транзисторы обеспечивают выходное напряжение до 690 В. Для того чтобы обойти данное ограничение по напряжению в последние десятилетия были разработаны схемы многоуровневых преобразователей. Данные преобразователи сложнее, чем двухуровневые в плане топологии, модуляции и управления, но при этом имеют лучшие показатели по мощности, надежности, габаритам, производительности и эффективности.

Трехуровневый преобразователь с фиксированной нейтральной точкой

В трехуровневом преобразователе с фиксированной нейтральной точкой (three-level neutral point clamped converter) постоянное напряжение делится поровну посредством двух конденсаторов, поэтому фаза может быть подключена к линии положительного напряжения (посредством включения двух верхних ключей), к средней точке (посредством включения двух центральных ключей) или к линии отрицательного напряжения (посредством включения двух нижних ключей). Каждому ключу в данном случае требуется блокировать только половину напряжения звена постоянного тока, тем самым позволяя увеличить мощность устройства, используя те же самые полупроводниковые ключи, как и в обычном двухуровневом преобразователе. В данном преобразователе обычно используются высоковольтные IGBT транзисторы и IGCT тиристоры.

Преобразователь с фиксированной нейтральной точкой может масштабироваться для достижения больше чем трех уровней выходного сигнала путем деления напряжения звена постоянного тока более чем на два значения посредством конденсаторов. Каждое из этих деленных напряжений может быть подключено к нагрузке с использованием расширенного набора ключей и ограничительных диодов. Вместе с увеличением мощности преимуществами многоуровневого преобразователя является лучшее качество электроэнергии, меньшее значение скорости нарастания напряжения (dv/dt) и связанных электромагнитных помех. Однако, когда преобразователь со связанной нейтральной точкой имеет более трех уровней, появляются другие проблемы. С точки зрения схемотехники в таком случае ограничительные диоды требуют более высокое максимальное рабочее напряжение чем основные ключи, что требует использования различных технологий или нескольких ограничительных диодов соединенных последовательно. В дополнение становится критическим неравномерное использование силовых элементов в схеме. В итоге из-за увеличения количества элементов снижается надежность. Приведенные недостатки ограничивают использование преобразователей с фиксированной нейтральной точкой с более чем тремя уровнями в промышленных приложениях.

Многоуровневые преобразователи

Каскадный Н-мостовой преобразователь

Основным преимуществом данного преобразователя является использование только низковольтных компонентов, при этом он дает возможность управлять мощной нагрузкой среднего диапазона напряжения. Несмотря на то что частота коммутации в каждой ячейке низкая, эквивалентная частота коммутации приложенная к нагрузке – высокая, что уменьшает потери на переключение ключей, дает низкую скорость нарастания напряжения (dv/dt) и помогает избежать резонансов.

Преобразователь с плавающими конденсаторами

Выходное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами получается путем прямого соединения выхода фазы с положительной, отрицательной шиной или подключением через конденсаторы. Количество уровней выходных напряжений зависит от количества навесных конденсаторов и отношения между различными напряжениями.

Этот преобразователь, как и в случае каскадного преобразователя, также имеет модульную топологию, где каждая ячейка состоит из конденсатора и двух связанных ключей. Однако, в отличие от каскадного преобразователя добавление дополнительных силовых ключей к конденсаторному преобразователю не увеличивает номинальную мощность преобразователя, а только уменьшает скорость нарастания напряжения (dv/dt), улучшая коэффициент гармоник выходного сигнала. Как и у каскадного преобразователя, модульность уменьшает стоимость замены элементов, облегчает поддержку и позволяет реализовать отказоустойчивую работу.

Конденсаторный преобразователь требует только один источник постоянного тока для питания всех ячеек и фаз. Поэтому, можно обойтись без входного трансформатора, а количество ячеек может быть произвольно увеличено в зависимости от требуемой выходной мощности. Подобно преобразователю с фиксированной нейтральной точкой, этому преобразователю требуется специальный алгоритм управления для регулирования напряжения на конденсаторах.

Инвертор тока

Для работы инвертору тока всегда требуется управляемый выпрямитель, чтобы обеспечить постоянный ток в звене постоянного тока. В стандартной топологии обычно используются тиристорные выпрямители. Чтобы уменьшить помехи в нагрузке, в звене постоянного тока используется расщепленная индуктивность. Инвертор тока имеет схему силовых ключей наподобие инвертора напряжения, но в качестве силовых ключей используются тиристоры с интегрированным управлением (IGCT). Выходной ток имеет форму ШИМ и не может быть напрямую приложен к индуктивной нагрузке (электродвигателю), поэтому инвертор тока обязательно включает выходной емкостной фильтр, который сглаживает ток и выдает гладкое напряжение на нагрузку. Этот преобразователь может быть реализован для работы на средних напряжениях и более того он по природе имеет возможность рекуперации энергии.

Прямые преобразователи

Прямые преобразователи передают энергию прямо от входа к выходу без использования элементов накопления энергии. Основным преимуществом таких преобразователей является меньшие габариты. Недостатком – необходимость более сложной схемы управления.

Циклоконвертер относится к категории прямых преобразователей. Данный преобразователь широко использовался в приложениях требующих высокую мощность. Этот конвертер состоит из двойных тиристорных преобразователей на фазу, который может генерировать изменяемое постоянное напряжение, контролируемое таким образом, чтобы следовать опорному синусоидальному сигналу. Вход каждого преобразователя питается от фозосмещающего трансформатора, где устраняются гармоники входного тока низкого порядка. Выходное напряжение является результатом комбинации сегментов входного напряжения в котором основная гармоника следует за опорным сигналом. По своей природе данный преобразователь хорошо подходит для управления низкочастотными мощными нагрузками.

Непрямой матричный преобразователь (indirect matrix converter) состоит из двунаправленного трехфазного выпрямителя, виртуального звена постоянного тока и трехфазного инвертора. Количество силовых полупроводников такое же как у прямых матричных преобразователей (если двунаправленный ключ рассматривается как два однонаправленных ключа), но количество возможных состояний включения отличается. Используя ту же самую конфигурацию непрямого матричного преобразователя, возможно упростить его топологию и уменьшить количество элементов ограничив его работу от положительного напряжения в виртуальном звене постоянного тока. Уменьшенная топология называется разреженный матричный преобразователь (sparse matrix converter).

Источник

Многоуровневые преобразователи: схемы, особенности применения, алгоритмы управления. Часть 1

Введение

В настоящее время двухуровневая топология (2L-VSC) инверторов на основе IGBT доминирует в тяговых приводах. Трехуровневые системы с фиксированной нейтралью (3L-NPC VSC) в основном применяются в средневольтовом (MV) диапазоне. Преимущества этих топологий очевидны: простота силового каскада, большой выбор стандартных низко­вольтных модулей, надежные типовые решения для управления и защиты. Кроме того, им свойственны переходные перенапряжения при коммутации силовых ключей, высокие потери переключения и плохой гармонический спектр, создающий дополнительные потери в двигателе. Известные проблемы связаны с перенапряжениями в кабелях и электрических машинах, а также с паразитными токами в подшипниках, создаваемыми крутыми переходным процессами.

Многоуровневые преобразователи (MLC, MLI) приобретают все большую популярность, поскольку предлагают наилучшее сочетание параметров для MV-приложений. Такие схемы обеспечивают коммутацию при существенно меньших перепадах напряжения, формируют сигнал с низким уровнем гармоник. Одно из главных преимуществ топологии MLI — отсутствие последовательного соединения ключей. К их достоинствам можно отнести и лучшее качество выходного напряжения, меньший уровень электромагнитных помех (EMI) и снижение общих потерь системы. Однако широкое распространение MLI-преобразователей сдерживается ввиду сложности алгоритмов управления и большего количества полупроводниковых приборов по сравнению с 2L-VSC и 3L-NPC.

Сегодня на рынке предлагаются различные типы силовых полупроводниковых приборов (IGBT, GTO, IGCT, SiC — рис. 1) и топологий преобразователей (2L-VSC, 3L-NPC VSC, 3L-FLC VSC, 4L-FLC VSC, SCHB VSC). Однако до сих пор никто не проводил их детальный сравнительный анализ, поэтому целью данной работы является сопоставление наиболее распространенных 2-L, 3-L низковольтных схем, а также многоуровневых систем для средневольтовых применений. Показано, как на основании технических требований следует выбирать структуру конвертера, тип полупроводниковых ключей, как рассчитывать параметры звена постоянного тока и моточных изделий. Кроме того, производится расчет и сопоставление количества активных и пассивных компонентов, уровня потерь и КПД преобразователей.

Рис. 1. Диапазон применения доступных силовых полупроводниковых ключей

Топологии MV-конверторов и силовые ключи

Многоуровневые средневольтовые преобразователи, используемые в диапазоне высоких мощностей, появились в середине 1980-х. Они формируют высокие уровни напряжения с улучшенным гармоническим составом, что уменьшает стресс для изоляции двигателей. Однако на первый взгляд надежность и эффективность работы таких систем должна быть ниже из-за большего количества полупроводниковых ключей.

В диапазоне промышленных применений малой и средней мощности (300 кВ·А — 30 МВ·А) предлагаются различные топологии VSC: двухуровневые (например, Alstom), трехуровневые с фиксированной нейтралью 3L-NPC (например, ABB, Alstom, Siemens), четырехуровневые с «плавающими» конденсаторами 4L-FLC VS (например, Alstom: SYMPHONY), а также VSC на базе последовательно соединенных H-мостов SCHB VSC (самая известная топология MLI принадлежит Toshiba/Robicon). Один из ведущих мировых производителей (Allen Bradley) также предлагает автоколебательные инверторы тока (CSI).

В то время как IGCT с рабочим напряжением 4,5; 6 и 6,5 кВ главным образом используются в схемах 3L-NPC VSC и CSI, высоковольтные HV-IGBT 25, 33, 45 и 65 класса работают в системах 2L-VSC, 3L-NPC VSC и 4L-FLC VSC.

Низковольтные IGBT (LV-IGBT) с рабочим напряжением 1200 и 1700 В чаще всего применяются в многоуровневых конвертерах SCHB VSC. В секторе средневольтовых промышленных приводов наибольшее распространение получили три топологии: 3L-NPC VSC, 4L-FLC VSC и SCHB VSC, последняя схема во многих источниках называется просто MLI (Multi-Level Inverter).

Трехуровневые преобразователи выпускаются несколькими крупными производителями, например, АВВ использует эту топологию в системах ACS 1000 и ACS 6000 (диапазон напряжений и мощностей: 2,3–4,16 кВ, 315 кВ·А — 27 МВ·А). Такую же топологию имеет преобразователь Siemens SIMOVERT MV (диапазон напряжений и мощностей: 2,3–6,6 кВ, 660 кВ·А — 9 МВ·А). Аналогичные изделия выпускаются и в азиатском регионе, в частности компанией Mitsubishi.

В 2-L-конвертерах применяются высоко­вольтные ключи с относительно низкой частотой коммутации. К недостаткам этой простой топологии можно отнести необходимость в большом выходном LC-фильтре в моторных приводах. Схемы 3L-NPC, 4L-FLC VSC более привлекательны в тех случаях, когда требуется высокая частота коммутации, низкий уровень гармонических искажений и небольшой фильтр при высоком выходном напряжении.

Главным преимуществом топологии MLI (SCHB) является использование стандартных низковольтных ключей (как правило, IGBT 17-го класса) на низкой частоте коммутации. Как правило, силовой каскад MLI содержит 3–6 (и более) последовательно включенных H-мостовых ячеек, что позволяет формировать выходное напряжение, содержащее 7–13 уровней. Входной изолирующий трансформатор имеет для каждой ячейки отдельную трехфазную обмотку, соединенную с выпрямительным мостом в конфигурации «звезда», «треугольник» и «зигзаг». Подобная схема обеспечивает хорошую форму входного тока и выходного напряжения. К недостаткам можно отнести сложность и высокую стоимость «полноразмерного» многообмоточного трансформатора, а также большое количество полупроводниковых ключей и каналов управления.

Альтернативой упомянутым системам служит гибридный асимметричный многоуровневый преобразователь, объединяющий топологии SCHB и NPC. Подобная комбинация формирует больше уровней напряжения, чем симметричный MLI при аналогичном количестве компонентов. Первые H-мостовые ячейки каждой фазы в схеме SCHB заменяются стойкой NPC-конвертера.

Хотя H-ячейка и стойка NPC-конвертера создают одинаковое выходное напряжение, гибридная несимметричная многоуровневая топология требует меньшего количества отдельных DC-шин и H-ячеек. Это приводит к упрощению сетевого трансформатора и структуры выпрямителей. Данная схема может работать с малой или большой частотой переключения в высоковольтных или низковольтных применениях. Однако остается необходимость в «полноразмерном» входном трансформаторе, очень сложным является и управление.

В таблице 1 даны обобщенные характеристики выпускаемых промышленных MV-приводов, предлагаемых ведущими производителями. Данные системы охватывают номинальную мощность 0,2–40 МВт при напряжении 2,3–13,8 кВ. Они используются в различных отраслях промышленности, таких как тяговые приводы, энергетика и т. д. Тяговые MV-конвертеры в основном питаются от однофазной АС-сети через низкочастотный трансформатор (например, 15 кВ/16–23 Гц или 25 кВ/50 Гц). Также возможно питание от DC-сети, однако проблемой здесь являются очень большие вариации напряжения питания (–30…+40%).

Источник