4.3.7 Асиметричні каскадні схеми багаторівневих інверторів
Згідно стандартам [] значення THD вихідної напруги інвертору повинно не перевищувати 8%, що при використанні ШІМ у каскадних схемах відповідно (п.4.3.2.4) досягається при А≥6, тобто при 6 АІН у вихідній фазі БАІН. Трифазний БАІН при цьому має 18 АІН з ізольованими джерелами живлення. Значні і втрати енергії в силових колах.
Покращити показники БАІН при зменшенні кількості ключів на рівень вихідної напруги, спрощенні вхідних кіл і зниженні втрат енергії дозволяє принцип асиметрії. Принцип асиметрії передбачає використання в схемі БАІН АІН с різною напругою джерел постійного струму (ДПС), що кратна мінімальній напрузі, відносне значення якої приймаємо U1=1 (у подальшому використовуються відносні значення напруги).
Початкова умова - формування напруги фази uФБАІН у вигляді східчастої кривої з постійним кроком квантування, що дорівнює 1. При цьому напруга , деuj(t) - напруга відповідного АІН, n - кількість АІН. Кількість рівнів напруги uФБАІН при максимальному її значенні N=1+2sn, де - сума відносних значень напруги ДПС. Кратність напруги ДПС може бути будь-якою, але є і обмеження. Граничне значення напруги ДПС АІН .
При мінімальній кількості АІН на фазу n=2 вибір кратності обмежений значеннями U2:U1=(1:1; 1:2; 1:3), які є базовими при збільшенні n.
Можливі кратності напруги при n=3: U1:U2:U3=1:1:{1, 2, 3,…5}, Nmax=15; U1:U2:U3=1:2:{1, 2, 3,…7}, Nmax=21; U1:U2:U3=1:3:{1, 2, 3,…9}, Nmax=27.
Кратність напруги при n=4 (виходимо з граничного для n=3 значення напруги): U1:U2:U3:U4=1:1:5:{1, 2, 3,…15}, Nmax=45; U1:U2:U3:U4=1:2:7:{1, 2, 3,…21}, Nmax=63; U1:U2:U3:U4=1:3:9:{1, 2, 3,…27}, Nmax=81.
Логіка визначення кратності зберігається і при більших значеннях n.
Асиметрія напруги дозволяє перенести навантаження на ДПС з більшою напругою, кількість перемикань АІН із збільшенням напруги знижується.
Аналіз почнемо з аналізу базових кратностей (при n=2).
Кратність 1:1. Ніяких проблем не виникає при використанні багаторівневої ШІМ із зсувом модулючої напруги за фазою або вибірковому формуванні с заданим гармонійним складом із зсувом за основною гармонікою (п.4.3.2.2).
Кратність 1:2. Виходимо з того, що використовується квантування заданої синусоїди uЗАД=Asinθ за рівнем з відпрацьовуванням похибки методом ШІМ АІН1 з мінімальною напругою. При включається АІН2, його напругаu2 має прямокутну форму (рис.4.121). Завантаження ДПС визначається активною потужністю відповідного АІН, тобто 1-ю гармонікою його вихідної напруги . Різниця напругиu1=uЗАД –u2 відпрацьовується АІН1 методом ШІМ. На інтервалі значень А (1.11, 2.35) Um2(1) більше А (рис.4.122), тобто активна потужність, що передається АІН2 в навантаження більше, ніж потребується, її надлишок (ΔР) повертається в мережу АІН1 і його джерело постійного струму (ДПС) повинно мати двобічну провідність. Таким чином, має місце даремна циркуляція енергії (ΔР) між АІН і їхніми вхідними колами і, відповідно, додаткові втрати енергії.
Зміну режиму АІН1 можна виключити:
а) використанням на другому рівні напруги фази БАІН ШІМ для обох АІН, АІН2 відпрацьовує методом ШІМ напругу Asinθ-1, напруга АІН1 доповнює напругу uФБПЧ до 1 на інтервалах, де напруга АІН2 дорівнює нулю і її полярність завжди співпадає з полярністю напруги uЗАД. Однак це підвищує втрати енергії на перемикання ключів і неефективно;
б) використанням квантування за рівнем (Um2(1)КВ на рис.4.122), коли напруга АІН1 u1=1 при 0.5, 2.5, аu2=2 при 1.5.
При кратності напруги U2:U1=3:1 застосування ШІМ і квантування не виключає циркуляцію енергії, оскільки для отримання другого рівня напруги uФБПЧ полярність напруги АІН1 протилежна полярності напруги uЗАД.
При трьох АІН на фазу збільшення напруги АІН3 Un при незмінному призводить до збільшення амплітуди її першої гармоніки Umn(1) і в процес циркуляції енергії поряд з АІН1 і АИН3 залучається ДПС і другого АІН2. Показано, що це можна виключити якщо
, (4.84)
де .
Умова (4.84) виконується при . З урахуванням цього ряд граничних крайностей 1:1:4, 1:2:5, 1:3:6.
Питання виключення циркуляції енергії може бути вирішено різними методами. Проте існують і інші проблеми:
- При однаковому вихідному струмі АІН збільшення напруги ДПС приводить до пропорційного збільшення потужності і, відповідно, складових струму первинної обмотки трансформатора, що визначаються цим ДПС. Це робить неефективним використання багатофазних схем випрямлення (БСВ) для АІН у фазі асиметричного каскадного БАІН. Використання БСВ ефективно тільки при міжфазній компенсації вищих гармонік, для АІН у фазах БАІН одного рівня напруги. Однак при цьому має місце лише часткова компенсація низькочастотних гармонік (п.4.2.4.2).
- Використання високовольтних ключів з підвищеними втратами енергії припускає мінімальну кількість їх перемикань.
Проблемним для виготівників є питання використання в одному пристрої напівпровідникових приладів різного класу напруги, що характерно при використанні кратності напруги 1:2:3, 1:2:4 і т.п. [1-3].
Розглянемо, як вирішуються ці питання для кратності 1:1:4, коли використовуються тільки дві напруги та типа ключів. За кількістю рівнів напруги при трьох АІН на фазу, це рішення еквівалентне схемі БАІН з шістьма АІН на фазу.
- 4 Автономні інвертори
- Структура автономного інвертора
- 4.1 Автономні інвертори струму
- 4.1.1 Автономні інвертори струму на тиристорах, що не
- 4.1.1.1 Однофазна мостова схема автономного інвертора струму
- Активно-індуктивне навантаження.
- 4.1.2 Однофазний мостовий автономний інвертор струму з
- 4.1.3 Трифазний мостовий автономний інвертор струму
- 4.1.2 Автономні інвертори струму на повністю керованих ключах
- 4.1.2.1 Автономний інвертор струму з формуванням в навантаженні
- Можливі стани схеми аіс
- 4.1.2.2 Автономний інвертор струму у режимі джерела
- 4.2 Дворівневі автономні інвертори напруги
- 4.2.1 Базові схеми дворівневих автономних інверторів напруги
- 4.2.2 Формування і регулювання вихідної напруги
- 4.2.2.1 Формування напруги прямокутної форми
- 4.2.2.2 Використання широтно-імпульсної модуляції для
- 4.2.2.3 Перемодуляція як засіб підвищення вихідної
- 4.2.4 Однофазний мостовий інвертор
- 4.2.4.1 Формування вихідної напруги інвертору з
- Значно покращити гармонійний склад вихідної напруги інвертору у порівнянні з біполярною шім дозволяє використання однополярної шім.
- 4.2.4.2 Формування вихідної напруги інвертору з використанням однополярної шім
- Навантаження елементів схеми однофазного мостового аін за струмом.
- 4.2.5 Трифазний інвертор напруги
- Розв’язання.
- 4.2.5.1. Трифазний інвертор з шім
- 4.2.5.2 Векторна шім
- Цей недолік можна компенсувати використанням перемодуляції. У останній час розповсюдження знайшов інший метод, що отримав назву векторна шім (вшім) - Space Vector Pulse Width Modulation.
- 4.2.6 Недоліки дворівневих інверторів
- 4.3 Багаторівневі інвертори
- 4.3.1 Базові структури багаторівневих інверторів
- 4.3.2 Основні принципи формування вихідної напруги
- 4.3.2.1 Амплітудне регулювання
- Діюче значення першої гармоніки фазної і лінійної напруги:
- Гармонійний склад напруги
- 4.3.2.2 Вибіркове формування з заданим гармонійним складом
- 4.3.2.3 Попередня модуляція завдання гармоніками кратними трьом
- Коефіцієнт гармонік вихідної напруги
- 4.3.2.4 Багаторівнева шім
- 4.3.3. Багаторівневі інвертори з декількома рівнями напруги
- 4.3.3.1. Трирівневий інвертор з фіксуючими діодами
- Однофазний мостовий трирівневий аін.
- Середнє значення струму тиристора ключа к2а (vtк2а)
- 4.3.3.2 Чотирирівневий інвертор з фіксуючими діодами
- 4.3.3.3 П’ятирівневий інвертор з фіксуючими діодами
- 4.3.4 Багаторівневі інвертори з плаваючими конденсаторами
- 4.3.5 Каскадні схеми з послідовним з’єднанням інверторів
- 4.3.6 Каскадні схеми з паралельним з’єднанням інверторів
- 4.3.6.1 Каскадні схеми з безпосереднім з’єднанням вихідних кіл
- 4.3.6.2 Каскадні схеми з вихідним підсумовуючим трансформатором
- 4.3.7 Асиметричні каскадні схеми багаторівневих інверторів
- Кратність 1:1:4. Розв'язуються задачі перерозподілу завантаження аін для виключення циркуляції енергії і забезпечення мінімуму перемикань ключів аін3.
- 4.3.9 Схеми з «реактивною коміркою» та послідовним силовим
- 4.3.10 Каскадні схеми із з’єднанням інверторів через фази