4.2.6 Недоліки дворівневих інверторів

Якість вихідної напруги дворівневих інверторів не відповідає стандартам, так ДСТУ 13109-97 для мереж загального призначення встановлює коефіцієнт гармонік для рівня напруги 0.4 кВ THD=8(12)%, для рівня 6 кВ і вище THD=6(8)%. В найкращому випадку для трифазного дворівневого інвертору при використанні векторної ШІМ і μ=1 (п.4.2.5.3) для вихідної напруги маємо THD=53%.

Це припустимо при використанні для електроприводу змінного струму, хоча вищі гармоніки обумовлюють додаткові втрати енергії у двигуні. Наприклад, в закритому двигуні 35 кВт з номінальним КПД 90 % збільшення втрат на 7.5 % викликає підвищення внутрішньої температури двигуна на 2.3 °С. Це повинне ураховуватися при виборі двигуна для конкретного застосування.

Більш істотна проблема, пов'язана з частковими розрядами і руйнуванням ізоляції обмоток двигуна. Використання в інверторах на IGBT широтно-імпульсній модуляції з частотою 2...20 кГц пов'язано з високими похідними du/dt (до 2.5...9.0 кВ/мкс) при наносекундних фронтах імпульсів, що породжує при певних поєднаннях параметрів ефект відображених хвиль. При довжині кабелю, що з’єднує інвертор з двигуном, 15 і більше метрів цей ефект може приводити до значних (2-5 - кратних) перенапружень на клемах двигуна при часі наростання імпульсу близько 0.2 мкс. Це викликає часткові розряди в повітряних полостях ізоляції, які поступово збільшуються, знижуючи діелектричну міцність ізоляції.

Паразитні ємності між окремими елементами асинхронних двигунів, зокрема усередині підшипників, викликають протікання високочастотних струмів по замкненому контуру, що утворений обома підшипниками, валом і станиною. Це приводить до прискореного зносу мастила, кульок і доріжок качення, тобто до зниження надійності підшипників.

У певній мірі ці явища долаються використанням високочастотних фільтрів, спеціальних екранованих кабелів, що грають роль розподілених фільтрів між інвертором і двигуном. На ринку з'явилися конструкції, де двигун інтегрований з перетворювачем.

Що стосується енергетики та високовольтного електроприводу при значних потужностях, використання дворівневого інвертору без вихідного фільтру не припустимо. Проте такі фільтри зменшують ККД перетворювального пристрою, мають значні габарити і вартість.

Окрім того, відносно напруги джерела постійного струму U_d вихідна напруга дворівневого інвертору становить . Тобто напруга ключів схеми становить, при вихідній напрузі АІН 6кВ напругакВ. Це потребує використовувати послідовне з’єднання ключів у схемі високовольтних АІН.

4.3 Багаторівневі інвертори

Недоліки, що характерні для дворівневих інверторів в значній мірі можуть бути усунені при використанні багаторівневих інверторів напруги (БАІН), вихідна напруга яких має східчасту форму і апроксимує синусоїду. Це дозволяє на відміну від дворівневих інверторів з ШІМ:

• поліпшити гармонійний склад вихідної напруги при значно меншій частоті перемикань ключів схеми;

• зменшити напругу ключів схеми перетворювача, що важливо для перетворювачів з підвищеною напругою;

• зменшити du_ВИХ/dt.