Однофазные многоуровневые полупроводниковые выпрямители переменного тока. Учебное пособие

Из рис. 2.3 видно, что перечисленные выше элементы схемы созда-



дут условия для подключения источника

1C

ней точке конденсаторов

, 2C.

e

через дроссель L к сред-

1

1, 0 ; [ 0]i 



L

e

1

1aS

1aD

1ND

2

S

D

2

a

i

1

A

3aS

2ND

3aD

4aD

4aS

1bS

1

D

3ND

D

N

b

2bS

D

2

b

B

D

3

3bS

b

4

D

4

b

4bS

1C

i

N

U

2C

а



d



1, 0 ; [ 0]i 



e

1

1aS

1aD

1ND

S

2

D

a

L

i

1

a

A

3aS

2ND

3aD

4aD

4aS

1bS

D

1

3ND

D

4

N

b

2bS

D

2

b

i

N

B

D

3

3bS

b

4

D

b

4bS



1C

N

U

d

2C



б

Рис. 2.4. Контуры протекания тока i

ключа К

д1

при замыкании

1

31



0,1 ; [ 0]i 





1aS

1aD

1ND

1bS

D

1

3ND

b



e

1

0,1 ; [ 0]i 



e

1

S

2

D

a

L

i

1

a

A

3aS

2ND

3aD

4aD

4aS

2bS

D

2

b

B

D

3

3bS

D

N

b

4

D

b

4bS

1C

i

N

U

d

2C



а

1aS

1aD

1ND

S

2

D

a

L

i

1

a

A

3aS

2ND

3aD

4aD

4aS

1bS

D

1

3ND

D

N

b

2bS

D

2

b

i

N

B

D

3

3bS

b

4

D

b

4bS



1C

N

U

d

2C



б

Рис.2.5. Контуры протекания тока i

при замыкании ключа К

1

д2

Наличие в схеме выпрямителя транзисторных ключей дает возможность использовать широтно-импульсные алгоритмы управления [5, 6]. В настоящее время разработчиками используются как скалярные, так и векторные алгоритмы ШИМ. Здесь будет рассмотрено

32

применение векторной ШИМ, являющейся, по мнению специалистов,

А

Z

А

Z

А

В

наиболее гибким инструментом при синтезе алгоритмов управления выпрямителем.

Поскольку основой любой векторной ШИМ являются комбинации состояний ключей (КСК) преобразователя, проанализируем некоторые особенности выпрямителя с различными КСК.

2.2. Комбинации состояний ключей

однофазного трехуровневого выпрямителя

Прежде всего рассмотрим весь набор КСК схемы и как он влияет на напряжение, формирующееся на входных зажимах выпрямителей А и В.

Для анализа формирующихся напряжений

u

каждой i-й комбинации состояний ключей условное обозначение:

(

)

Z

,

i

Вi

, где

и

i

могут принимать значения 0, 1 или 2 в зави-

Вi

симости от того, к какой точке звена постоянного тока подключены точки А или В соответственно (см. рис. 2.1).

Например, рассмотрим КСК вида (2, 1). Это означает, что в первой стойке выпрямителя точка А подключена к точке 2 звена постоянного тока, а точка В второй стойки выпрямителя подключена к точке

В этом случае в точке А формируется напряжение

U

d

напряжение

.

2

В зависимости от комбинаций состояния ключей значения напря-

u

и

жений выпрямителя

, формирующиеся относительно нулево-

В

го потенциала звена постоянного тока «0», будут принимать три раз-

U

d

U

,

личных значения: 0,

2

.

d

Для анализа введем относительные значения напряжений где в качестве базовой величины примем

U

. Очевидно, что каждой

d

КСК будут соответствовать относительные значения напряжений в точках А и В на стойках выпрямителя. В этом случае справедливы

следующие выражения:

*

uU

В

u

,

d

*

uU

В

u

. Если рассматривать

d

u

и

введем для

В

U

, а в точке В –

d

1.

u

и

,

В

33

тот же пример для КСК (2,1), то очевидно, что относительными значе-

B

А

Z

В

Z

А

В

А

1

ниями напряжений

*

и

u

A

в этом случае будут

u

*

u 

A

*

и

u 

1

.

B

2

Таким образом, рассматривая все возможные состояния переключения ключей, можно отметить, что общее количество комбинаций состояний ключей однофазной трехуровневой схемы равно девяти. Все они представлены в табл. 2.1, там же отражены и относительные

*

значения напряжений

Комбинации состояний ключей однофазного трехуровневого

преобразователя и уровни напряжений

,

u

A

и

*

.

u

AB

Таблица 2.1

*

и

*

u

AB

,

u

A

i

*

u

i

*

u

i

*

u

Вi

1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 1 2 0 1 2 0 1 2

i

0 0 0 1 1 1 2 2 2

0

1

1 0

2

0 0 0

0

1

2

1

2

1



2

1

1 0

2 1

2

0

1

2 1

2

1 1 1

–1

1

2

1



0

2

Как видно из табл. 2.1, комбинации состояний ключей (0,0), (1,1) и (2,2) формируют нулевой уровень напряжения

***

uuu

АВ А В

Остальные шесть КСК (2,0), (0,2), (1,0), (0,1), (2,1), (1,2) создают четыре ненулевых уровня напряжения в относительных значениях, пред-

1

ставляющие:



1

,

, 1 , 1 .



2

На рис. 2.6 показано ступенчато аппроксимированное напряжение

*

, полученное при соответствующей временной последовательно-

u

АВ

сти переключения ключей однофазной трехуровневой схемы.

.

34

Из рис. 2.6. видно, что на интервале времени

А

яния ключей (2,0) формирует максимальное напряжение соответствует

uU

В d

. На интервале времени

бинаций (1,0) или (2,1) формирует напряжение

U

d

u 

АВ

интервале времени Отрицательная полуволна напряжения

, а любая из комбинаций состояний ключей (0,0), (1,1), (2,2) на

2



создает относительное напряжение

23

*

u

АВ

действии КСК (0,1), (1,2) имеет значение при КСК (0,2) – значение

*

u 

АВ

.

1



комбинация состо-

1



любая из ком-

12

u 

на интервале

*

u 

АВ

*

АВ



34

*

u 

АВ

0,5

*

u 

АВ

Далее последовательности комбинаций состояний ключей следуют в обратном порядке и создают возрастающее ступенчатое напряжение

*

u

В

1

0.5

0

0.5 1



1



2



3



4

Рис. 2.6. Напряжение



*

в однофазном трехуровневом выпрямителе

u

АВ

2

(2,0)

(1,0);(2,1)

(0,0);(1,1);(2,2)

(0,1);(1,2)

(0,2)

, что

1

или

при

0,5

*

u

AB



.

0

,

.

Формирование определенной последовательности комбинаций состояний ключей приводит к чередованию уровней напряжений через заданные временные координаты

ствить синтез

*

в виде ступенчатого периодического напряжения.

u

АВ

123

35

...  , что позволяет осуще-

Комбинации состояний ключей, формирующие одно и то же напряжение, будем назвать избыточными, или дублирующими. К ним отно-

сятся: (1,0), (2,1) –для напряжения соответствуют напряжению

*

нию

u 

АВ

Наличие избыточных КСК позволяет обеспечить неко-

0,5.

*

u 

АВ

*

u 

АВ

; КСК вида (0,1), (1,2) – напряже-

0

; КСК вида (0,0), (1,1), (2,2)

0,5

торую вариативность в выборе последовательности комбинаций состояний ключей при синтезе алгоритма управления выпрямителем. Возможность выбора той или иной избыточной КСК дает возможность синтеза векторной ШИМ по определенным критериям, к которым можно отнести: минимальное количество переключений ключей преобразователя; обеспечение баланса (выравнивания) средних жений, формирующихся на конденсаторах

1C

и 2Свыпрямителя.

значений напря-

Весь набор КСК и соответствующие им контуры протекания тока представлены на рис. 2.7 – 2.9. Видно, что для одной и той же комбинации состояния ключей в зависимости от направления протекания

i

тока

контур протекания тока будут формировать различные транзис-

1

торы и диоды схемы.

Так, например, для комбинации (2,1) при условии, когда значение напряжения переменного источника питания выше напряжения звена по-

стоянного тока, ток

2

D

элементы

,

a

i

будет вытекать из источника

1

1aD

3

D

,

, а также через конденсатор С1 и заряжать его.

N

e

и протекать через

1

При этом ток, вытекающий из конденсатора С2, будет его разряжать.

При условии, когда значение напряжения переменного источника

e

питания условия для протекания тока через элементы

меньше напряжения звена постоянного тока, формируются

1

1aS

2aS

3aS

,

D

,

N

4

В этом случае очевидно, что конденсатор С1 будет разряжаться, а конденсатор С2 заряжаться.

Таким образом, важным моментом при синтезе последовательности комбинаций состояний ключей является учет заряда и разряда конденсаторов звена постоянного тока. Выбор последовательности КСК должен основываться на поддержании напряжений на конденсаторах звена постоянного тока одинаковыми по

их среднему значению. Этого можно достигнуть при использовании дублирующих (избыточных) КСК, формирующих одинаковые значения напряжений на входных зажимах А и В, но при этом могут быть разные направления тока в конденсаторах С1 и С2, обеспечивающие их заряд или разряд.

.

36

N



2,1 ; [ 0]i 

N



e

1

2,1 ; [ 0]i 



e

1

1, 0 ; [ 0 ]i 



e

1

1aS

1ND

2

S

D

a

L

i

1

a

A

3aS

2ND

4aS

1bS

1aD

2

D

1

b

3ND

2bS

2

D

b

i

B

3

D

3bS

3aD

4aD

b

4ND

D

4

b

4bS



1C

N

U

d

2C



а

1aS

1ND

2

S

D

a

L

i

1

a

A

3aS

3aD

2ND

4aD

4aS

1bS

1aD

2

1

D

b

3ND

2bS

2

D

b

i

B

D

3

3bS

b

D

4

N

D

4

b

4bS



1C

N

U

d

2C



б

1aS

1ND

2

S

D

a

L

i

1

a

A

3aS

3aD

2ND

4aD

4aS

1bS

1aD

2

D

1

b

3ND

2bS

2

D

b

i

B

D

3

3bS

b

D

4

N

D

4

b

4bS



1C

N

U

d

2C



в

Рис. 2.7. Контуры протекания тока при соот-

ветствующих комбинациях состояний ключей (см. также с. 38)

37

1, 0 ; [ 0 ]i 



L

e

1

1aS

1ND

S

2

D

a

i

A

1

3aS

3aD

2ND

4aD

4aS

1bS

1aD

2

D

1

b

3ND

2bS

D

2

b

i

B

3

D

3bS

b

D

4

N

4

D

b

4bS



1C

N

U

d

2C



г

1, 2 ; [ 0 ]i 



L

e

1

1, 2 ; [ 0 ]i 



L

e

1

1aS

1ND

2

S

D

a

i

A

1

3aS

3aD

2ND

4aD

4aS

1bS

1aD

2

1

D

b

3ND

2bS

D

2

b

i

B

D

3

3bS

b

D

4

N

4

D

b

4bS



1C

N

U

d

2C



д

1aS

1aD

1ND

S

2

D

a

i

A

1

3aS

3aD

2ND

4aD

4aS

1bS

D

1

b

3ND

2bS

2

D

b

i

B

D

3

3bS

b

D

4

N

D

4

b

4bS



1C

N

U

d

2C



е

Рис. 2.7. Окончание

38

N

0,1 ; [ 0]i 

N



L

e

1

1aS

1aD

1ND

S

2

D

a

i

A

1

3aS

3aD

2ND

4aD

4aS

1bS

D

1

b

3ND

2bS

D

2

b

i

B

3

D

3bS

b

D

4

N

D

4

b

4bS



1C

N

U

d

2C



а

0,1 ; [ 0]i 



L

e

1

1aS

1ND

S

2

D

a

A

i

1

3aS

2ND

4aS

1bS

1aD

2

D

1

b

3ND

2bS

D

2

b

i

B

3

D

3bS

3aD

4aD

b

D

4

N

4

D

b

4bS



1C

N

U

d

2C



б

2,0 ; [ 0]i 



e

L

1

1aS

1ND

2

S

D

a

A

i

1

3aS

2ND

4aS

1bS

1aD

2

3aD

D

4aD

1

D

b

3ND

2bS

D

2

b

B

D

3

3bS

b

4

N

4

D

b

4bS



1C

N

U

d

2C



в

Рис. 2.8. Контуры протекания тока при соот-

ветствующих комбинациях состояний ключей (см. также с. 40)

39

2,0 ; [ 0]i 







L

e

1

1aS

1ND

S

2

D

a

A

i

1

3aS

2ND

4aS

1bS

1aD

2

3aD

4aD

D

1

b

3ND

2bS

2

D

b

B

3

D

3bS

b

D

4

N

4

D

b

4bS



1C

N

U

d

2C



г

0, 2 ; [ 0]i 



e

L

1

0, 2 ; [ 0]i 

L

e

1

1aS

1ND

S

2

D

a

A

i

1

3aS

3aD

2ND

4aD

4aS

1bS

1aD

D

1

b

3ND

2bS

2

D

b

B

3

D

3bS

b

D

4

N

4

D

b

4bS



1C

N

U

d

2C



д

1aS

1ND

S

2

D

a

A

i

1

3aS

3aD

2ND

4aD

4aS

1bS

1aD

2

D

1

D

b

3ND

2bS

D

2

b

B

D

3

3bS

b

4

N

D

4

b

4bS



1C

N

U

d

2C



е

Рис. 2.8. Окончание

40