Трехфазные трехуровневые автономные инверторы напряжения
Предложено и исследовано применение трехуровневых АИН в составе устройств гарантированного питания с целью расширения их функциональных возможностей. Рассмотрены построение этих устройств и принцип их работы. Запропоновано і проаналізовано застосування трирівневих автономних інверторів напруги у скл...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Праці Інституту електродинаміки НАН України |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електродинаміки НАН України
2009
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63732 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Трехфазные трехуровневые автономные инверторы напряжения / Э.Н. Гречко // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України: Зб. наук. пр. — К.: ІЕД НАНУ, 2009. — Вип 24. — С. 100-104. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860044203645468672 |
|---|---|
| author | Гречко, Э.Н. |
| author_facet | Гречко, Э.Н. |
| citation_txt | Трехфазные трехуровневые автономные инверторы напряжения / Э.Н. Гречко // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України: Зб. наук. пр. — К.: ІЕД НАНУ, 2009. — Вип 24. — С. 100-104. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Праці Інституту електродинаміки НАН України |
| description | Предложено и исследовано применение трехуровневых АИН в составе устройств гарантированного питания с целью расширения их функциональных возможностей. Рассмотрены построение этих устройств и принцип их работы.
Запропоновано і проаналізовано застосування трирівневих автономних інверторів напруги у складі установки гарантованого живлення для розширення їх функціональних можливостей. Розглянуто будову і принцип їх роботи.
Application 3-Level Inverter in structure of devices of the guaranteed feed with the purpose of expansion of their functionalities is offered and is investigated. Construction of these devices and a principle of their work is considered.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:57:17Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.314
Э.Н. Гречко
ТРЕХФАЗНЫЕ ТРЕХУРОВНЕВЫЕ АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ
НАПРЯЖЕНИЯ
Запропоновано і проаналізовано застосування трирівневих автономних інверторів напруги у складі
установки гарантованого живлення для розширення їх функціональних можливостей. Розглянуто будову і
принцип їх роботи.
Введение. Трехфазные устройства гарантированного питания (УГП – англ.: Uninter-
ruptible Power Suply) в настоящее время находят широкое применение в системах электро-
снабжения ответственных нагрузок с целью элиминации провалов напряжения и колебаний
сетевого напряжения, превышающих допустимые значения. Для этого строятся специальные
источники гарантированного (резервного) питания УГП [3] с применением полупроводнико-
вых преобразователей, в том числе таких, как трехфазные конвенциональные автономные
инверторы напряжения (АИН).
В то же время можно отметить появление ряда публикаций [1, 4], посвященных мо-
дернизации и развитию одного из направлений построения АИН, а именно построению мно-
гоуровневых инверторов напряжения. Большой практический интерес имеют инверторы
данного типа с наименьшим числом силовых ключей, в частности, инверторы, построенные с
использованием ограничивающих диодов DC (англ. DC – Diode Clamped). Отсутствие в та-
ких инверторах суммирующих трансформаторов снимает ограничения частотного регулиро-
вания выходных напряжений АИН в сторону низких частот. Кроме того, многоуровневые
АИН целесообразно применять при построении инверторов на значительные выходные
мощности и высокие напряжения, а также в связи с улучшенным качеством выходных на-
пряжений. В таких инверторах уменьшаются также коммутационные потери из-за того, что
силовые ключи работают на пониженных напряжениях.
Целью настоящей работы является построение трехфазных УГП с применением трех-
фазных трехуровневых АИН с целью расширения их функциональных возможностей, а так-
же построение компьютерных моделей АИН в пространстве Matlab при синусоидальной по-
уровневой ШИМ для оценки регулировочных характеристик инвертора.
Блок-схема УГП с трехфазным трехуровневым АИН. Так как среди основных струк-
турных построений УГП важную отдельную группу устройств составляют, в соответствии с
европейской нормой, устройства УГП с пассивным резервом – stand by (прежде употреблялось
название off line), то в работе рассматривается применение трехуровневых АИН в составе УГП
с пассивным резервом, в частности, построение этих устройств и принцип их работы.
Основным препятствием к использованию трехуровневых АИН в составе сущест-
вующих УГП является то, что аккумуляторные батареи (АБ) являются двухуровневыми ис-
точниками постоянного тока пониженного напряжения. Однако появление в области совре-
менных устройств преобразовательной техники трехуровневых ШИП [2] позволяет решить
эту задачу.
Блок-схема предлагаемого решения УГП показана на рис. 1. Устройство содержит в
качестве основного источника питания трехфазную сеть, а в качестве дополнительного – ак-
кумуляторную батарею (АБ).
В режиме нормаль-
ной работы шины гаранти-
рованного питания SGP
подключёны ко входным
шинам устройства Swe, со-
единенным с трехфазной
сетью с помощью трехфаз-
© Гречко Э.Н., 2009
Рис. 1
ного контактора K1 через блок АРН (автоматический регулятор напряжения) и входной
фильтр Fwe устройства. При этом сетевое напряжение фильтруется в устройстве, а также его
параметры корректируются блоком АРН. Одновременно с этим осуществляется подзаряд
батареи аккумуляторов.
В момент исчезновения питающего напряжения или уменьшения его величины ниже
допустимого порога устройство переходит в аварийный режим работы, при котором элек-
трическая энергия поступает к приемникам от АИН, с использованием энергии, запасенной в
АБ. Время аварийного режима работы продолжается до тех пор, пока не возвратится напря-
жение сети или не исчерпается запасенная энергия в АБ.
Входной ШИПwe служит прежде всего для согласования уровней выходного напряже-
ния выпрямителя УВ (управляемого либо чаще неуправляемого) и напряжения на аккумуля-
торной батарее. Традиционно для этого используется ШИП типа buck converter, имеющий
свойство только понижать выходное напряжение относительно величины напряжения пита-
ния преобразователя. В выходной цепи УГП находятся два блока: трехуровневый ШИПwy и
трехфазный трехуровневый АИН. На выходных зажимах 1, N, 2 блока ШИПwy формируется
стабилизированное трехуровневое напряжение постоянного тока [2], требуемое трехфазным
трехуровневым инвертором.
Трехуровневый АИН. На рис. 2 представлена выходная цепь УГП, а именно два бло-
ка – ШИПwy и АИН, включенные между аккумуляторной батареей и выходными шинами
устройства SGR. Блок ШИПwy состоит из двух преобразователей постоянного напряжения
[2], в котором первый ШИП выполнен по схеме преобразователя типа boost, а второй – по
схеме ШИП типа buck – boost. Построен первый ШИП на основе элементов L1, T1, D1, С1.
Второй ШИП состоит также из четырёх элементов, соответственно L2, T2, D2, С2, как и пер-
вый ШИП, однако имеет иную структуру построения. Индекс «1» использован для обозначе-
ния элементов 1-го преобразователя, а индекс «2» – для обозначения элементов 2-го преоб-
разователя. По сравнению с первым ШИП, во втором ШИП транзистор Т2 находится не в
продольной, а в поперечной ветви преобразователя, а дроссель L2 – в продольной ветви.
Входные цепи первого и второго ШИП включены параллельно между собой относительно
зажимов АБ, чем исключается их интерактивное влияние. На зажимах 1, N, 2 блока форми-
руется регулируемое (стабилизированное) трехуровневое напряжение постоянного тока
Udc1 = Udc2 = Udc/2, необходимое для формирования трехфазным трехуровневым АИН.
Инвертор, показанный на рис. 2, можно классифицировать как АИН с ограничиваю-
щими диодами (англ. DC – Diode Clumped). Каждая из фаз инвертора содержит четыре сило-
вых транзистора, к примеру фаза А – транзисторы T11-T12 и T21-T22, шунтированные об-
ратными диодами. Кроме того, трехуровневый инвертор содержит в каждой фазе инвертора
между анодной и катодной группой транзисторов по два последовательно включенных диода
DC. Общим зажимом эти диоды соединены с нулевым зажимом N источника питания инвер-
тора. Выходные зажимы инвертора A, B, C с помощью включения двух транзисторов верхней
Рис. 2
группы либо двух транзисторов нижней группы, либо двух средних транзисторов могут быть
соединены либо с положительным зажимом, либо с отрицательным, либо с нулевым зажи-
мом источника питания.
Шины гарантированного питания SGP могут быть подключены к выходным зажимам
АИН либо с помощью четырехпроводной линии с нулевым проводом (НР), который соеди-
няет нулевые зажимы шин SGP и инвертора N, либо на основе трехпроводной линии без НP.
При симметричной нагрузке, подключенной к инвертору без нулевого провода, трехфазные
АИН имеют лучшие энергетические параметры, поэтому далее будет рассмотрен трехуров-
невый АИН с симметричной нагрузкой и без НP.
Компьютерная модель инвертора. Для исследования основных энергетических по-
казателей трехуровневого АИН типа DC построена его виртуальная модель в пространстве
Simuling программы Matlab при следующих выходных параметрах трехфазного инвертора:
выходная частота 50 Гц; несущая частота модуляции fmod =1200 Гц. Исходя из выходной ка-
жущейся мощности 3 кВА, выходного фазного напряжения UL1
=220 В и cosϕ = 0,906, находим
параметры симметричной трехфазной RL-нагрузки, при этом RL=8,77 Ω; LL=0,013 H.
Для выбора требуемых величин напряжения постоянного тока Ud1 = Ud2 = Udc/2 на
входе АИН воспользуемся коэффициентом передачи инвертора по напряжению трехуровне-
вого АИН типа DC, рассмотренным в
работе [1]. Коэффициент UL1
* является
равным отношению действующего
значения основной гармоники выход-
ного фазного напряжения к суммар-
ному напряжению источника питания
UL1
*= UL1/Udc. Зависимость UL1
* в
функции коэффициента глубины мо-
дуляции UL1
* = f(mA) представлена
графически на рис. 3.
Если максимальное значение
коэффициента передачи инвертора по напряжению (UL1
* = 0,353) на линейном участке UL1
* =
f(mA) является недостаточным для некоторых нагрузок, то с целью повышения величины на-
пряжения UL1 применяется режим управления со сверхмодуляцией. Как видно из рис. 3, при
mA=1,3 достигаем значений UL1
* =0,431.
На линейном участке зависимость UL1
* = f(mA) при значениях 0,1 < mA < 0,9 можно
описать следующим выражением:
UL1= dcAUm
22
1
. (1)
В предлагаемом схемном решении УГП есть возможность воспользоваться возможно-
стями блока ШИПwy и выбрать величину коэффициента глубины модуляции, наибольшей на
линейном участке mA = 0,9. Соответственно из выражения (1) находим напряжения постоян-
ного тока на входе АИН Udc = Udc1 + Udc2 = 624 В.
На рис. 4 представлена виртуальная модель АИН. Она содержит: трехуровневый ис-
точник напряжения постоянного тока Udc1 = Udc2 = Udc/2 = 312 В; трехфазную нагрузку RL,
RL1, RL2, соединенную звездой; трехфазный инвертор, представленный в виде аналогичных
блоков Subsystem_A, Subsystem_B, Subsystem_C; трехканальныe устройства управления
транзисторами Con.Sys_A, Con.Sys_B, Con.Sys_C; три блока, формирующих синусоидальные
модулирующие сигналы GNS_a, GNS_b, GNS_c амплитудой 0…5 В и частотой 50 Гц (их
сигналы подаются на входы In1 каждого из блоков Con.System), а также блок формирования
треугольного сигнала задания GNT_a_c частотой модуляции 1,2 кГц и амплитудой 2,5 В (его
выходные сигналы подаются на входы In2 каждого из блоков Con.System). Кроме этого,
анализируемый трехфазовый АИН содержит в цепи постоянного тока фазы А, а также в вы-
ходной цепи только фазы C (исходя из симметричности построения и управления трехфаз-
ным инвертором) измерительные приборы и осциллографы для регистрации и измерений
величин напряжений и токов в этих цепях.
Рис. 3
Алгоритм управления. Синусоидальная модуляция в каждом из блоков Subsystem
трехуровневого АИН реализуется путем сравнения на компараторах синусоидального моду-
лирующего сигнала 50 Гц с блоков GNS_a, GNS_b, GNS_c c амплитудой 0…5 В и частотой
50 Гц, с двумя треугольными сигналами несущей частоты fimp =1200 Гц, сдвинутыми между
собой по вертикали, формируемыми из сигнала задания блока GNT_a с амплитудой 2,5 В.
Каждый из компараторов управляет в противофазе двумя транзисторами (одним из верхнего
плеча, а другим из нижнего плеча каждой фазы инвертора) импульсами управления с регу-
лируемой длительностью и несущей частотой. На рис. 5 a показаны временные диаграммы
синусоидального и треугольного сигналов, а на рис. 5 б, в – соответственно две последова-
тельности сигналов на выходе компараторов. Принимая во внимание частоты сигналов сину-
соидального и треугольного, относительная несущая частота модуляции равна fmod* = 24.
Также можно найти коэффициент глубины трехуровневой модуляции как отношение
амплитуды сину-
соидального сигнала
к сумме амплитуд
обоих треугольных
сигналов, который
равен mA = 4,5/5 =
=0,9. Данный ал-
горитм реализует в
трехуровневом АИН
поуровневую сину-
соидальную ШИМ
выходных напряже-
ний с независимым
регулированием ве-
Рис. 4
Рис. 5
личин выходных напряжений и частоты.
Результаты моделирования. На мониторах блоков Display…Display3 виртуальной
модели АИН с рис. 3 можно снимать значения следующих параметров инвертора: UL1m –
амплитуда основной гармоники выходного фазного напряжения; ULs – действующее значе-
ние выходного фазного напряжения; IL1m – амплитуда основной гармоники выходного фазно-
го тока; ILs – действующее значение выходного фазного тока; φL1 – фазный сдвиг между ос-
новными гармониками фазных тока и
напряжения; Idśr – среднее значение то-
ка в цепи источника питания; Id RMS –
действующее значение тока источника
питания; IT sr – среднее значение тока
транзистора IGBT; IT RMS – действую-
щее значение тока транзистора. В ре-
зультате имеется возможность расчета
основных энергетических показателей
во входной и выходной цепях инверто-
ра.
Для примера временные диа-
граммы напряжения uL(t) и тока iL(t)
фазы C нагрузки показаны на рис. 6.
Кривые фазных напряжений на нагруз-
ке uL(t) представляют собой равносту-
пенчатые квазисинусоидальные
кривые, a кривые токов нагрузки iL(t) являются практически синусоидальными.
Применение поуровневой си-
нусоидальной ШИМ в АИН улучшает
гармонические спектры выходных
напряжений uL(t) благодаря ослабле-
нию высокочастотных гармоник,
близких основной гармонике, а также
сдвигу значительных по величине вы-
сокочастотных гармоник в сторону
высоких частот. Для примера гармо-
нический спектр выходного напряже-
ния АИН при fmod* = 24 и глубине мо-
дуляции mA=0,9 показан на рис. 7.
В заключение можно отметить, что трехфазный трехуровневый АИН формирует на
выходе трехфазную систему квазисинусоидальных напряжений и токов с независимым регу-
лированием величин выходных напряжений и выходной частоты. Это подтверждает боль-
шую эффективность трехуровневых АИН в устройствах гарантированного питания по срав-
нению с использованием в их составе трехфазного конвенционального АИН.
Предложено и исследовано применение трехуровневых АИН в составе устройств гарантированного
питания с целью расширения их функциональных возможностей. Рассмотрены построение этих устройств и
принцип их работы.
Application 3-Level Inverter in structure of devices of the guaranteed feed with the purpose of expansion of their
functionalities is offered and is investigated. Construction of these devices and a principle of their work is considered.
1. Гречко Э.Н. Многоуровневые инверторы напряжения со ступенчатой модуляцией выходных напряже-
ний // Техн. електродинаміка. – 2005. – № 4. – С. 25–29.
2. Гречко Э.Н. Трехуровневый широтно-импульсный преобразователь // Техн. електродинаміка. – 2005. –
№5. – С. 33–37.
3. Greczko Е., Gientkowski Z., Kurowski T. Półprzewodnikowe autonomiczne układy zasilania energią
elektryczną prądu przemiennego // Wyd. WSInż., Zielona Góra, 1996. – 225 s.
Рис. 6
Рис. 7
4. Gautam Sinha, Thomas A.Lipo. A Four Level Inverter Based Drive With a Passive Front End, Proc. // IEEE-
PESC'’99 Conf. – Р. 590–595.
Надійшла 8.04.2009
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-63732 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1727-9895 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:57:17Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гречко, Э.Н. 2014-06-05T15:36:35Z 2014-06-05T15:36:35Z 2009 Трехфазные трехуровневые автономные инверторы напряжения / Э.Н. Гречко // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України: Зб. наук. пр. — К.: ІЕД НАНУ, 2009. — Вип 24. — С. 100-104. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1727-9895 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63732 621.314 Предложено и исследовано применение трехуровневых АИН в составе устройств гарантированного питания с целью расширения их функциональных возможностей. Рассмотрены построение этих устройств и принцип их работы. Запропоновано і проаналізовано застосування трирівневих автономних інверторів напруги у складі установки гарантованого живлення для розширення їх функціональних можливостей. Розглянуто будову і принцип їх роботи. Application 3-Level Inverter in structure of devices of the guaranteed feed with the purpose of expansion of their functionalities is offered and is investigated. Construction of these devices and a principle of their work is considered. ru Інститут електродинаміки НАН України Праці Інституту електродинаміки НАН України Напівпровідникові перетворювачі Трехфазные трехуровневые автономные инверторы напряжения Article published earlier |
| spellingShingle | Трехфазные трехуровневые автономные инверторы напряжения Гречко, Э.Н. Напівпровідникові перетворювачі |
| title | Трехфазные трехуровневые автономные инверторы напряжения |
| title_full | Трехфазные трехуровневые автономные инверторы напряжения |
| title_fullStr | Трехфазные трехуровневые автономные инверторы напряжения |
| title_full_unstemmed | Трехфазные трехуровневые автономные инверторы напряжения |
| title_short | Трехфазные трехуровневые автономные инверторы напряжения |
| title_sort | трехфазные трехуровневые автономные инверторы напряжения |
| topic | Напівпровідникові перетворювачі |
| topic_facet | Напівпровідникові перетворювачі |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63732 |
| work_keys_str_mv | AT grečkoén trehfaznyetrehurovnevyeavtonomnyeinvertorynaprâženiâ |