4.3.1 Базові структури багаторівневих інверторів

Отримати різні значення (рівні) напруги можна шляхом складання або віднімання напруги джерел постійного струму (ДПС), або шляхом почергового підключення навантаження до ДПС різної напруги. Як ДПС можуть також використовуватися заздалегідь заряджені конденсатори. Перемикання ДПС здійснюється за допомогою напівпровідникових ключів. Як варіант, слід розглядати використання для складання напруги трансформаторів в вихідних колах. Навантаження БАІН звичайно трифазне зв'язане, однофазне або трифазне незв'язане з використанням шестипровідних кіл.

За принципом побудови усі варіанти виконання БАІН можна звести до наступних базових структур:

- БАІН з фіксуючими діодами, коли використовується ДПС з декількома рівнями напруги (рис.4.60,а), а для фіксації напруги на ключах використовуються діоди;

- БАІН з «плаваючими» конденсаторами, коли використовується одне ДПС, а вихідна напруга формується як сума (різниця) напруги джерела і одного або декількох послідовно з’єднаних з ним заряджених конденсаторів (рис.4.60,б);

- каскадні БАІН, коли вихідна напруга формується як сума (різниця) напруги декількох ізольованих ДПС (рис.4.60,в). Для маніпуляцій з напругою ДПС використовуються комутатори К, схема яких може бути різною.

Можливі комбінації цих типів у загальній схемі (гібридні) з метою зменшення кількості ізольованих джерел, каскадні схеми можуть бути з використанням паралельного з’єднання.

Останнім часом розвиток отримали, так звані, асиметричні БАІН з різними рівнями напруги джерел постійного струму.

4.3.2 Основні принципи формування вихідної напруги

багаторівневих інверторів

4.3.2.1 Амплітудне регулювання

На відміну від дворівневого інвертора напруги у БАІН регулювання вихідної напруги можливо не лише змінюванням амплітуди напруги джерела постійного струму, а і змінюванням кількості рівнів у кривій.

Якнайповнішу оцінку можливостям амплітудного регулювання напруги БАІН дає метод просторового вектора напруги (п.4.2.5.3). При східчастій формі напруги вектор пересовується стрибкоподібно, по черзі займаючи ряд фіксованих положень. Кінець вектора описує правильний шестигранник (рис.4.61), кожному з них відповідає певна форма напруги фази АІН. На рис.4.61 показані просторові вектори для БАІН з рівнями напруги фази 0, ±U, ±2U, ±3U. Позначимо номер шестигранника h=1,2,3,… Першому шестиграннику (h=1) відповідає напруга дворівневого трифазного мостового АІН (див. п.4.2.5.3 рис.4.46) при рівнях напруги 0 та U. Той же просторовий вектор можна отримати при трьох рівнях напруги 0, ±U згідно табл.4.15 (напруга БАІН приведена на рис.4.62).

На рис.4.62 подані діаграми напруги фаз БАІН и_А0, и_В0 , и_С0, напруги на фазах навантаження и_а, и_в , и_с та лінійна напруга и_АВ, пунктиром подані перші гармоніки відповідної напруги. При цьому період вихідної напруги розподілено на шість інтервалів часу, фазна напруга на навантаженні має 5 рівнів, лінійна 3. При цьому відносно напруги навантаження отримуємо такі ж самі співвідношення, що і для дворівневого інвертора (п.4.2.5) – амплітуда 1-ї гармоніки фазної напруги становить U_Фm(1)=0.637U, амплітуди інших гармонійних складових зменшуються пропорційно номеру гармоніки U_Фm(К)=0.637U/К, діюче значення 1-ї гармоніки лінійної напруги U_Л(1)=0.78U.

При тих же трьох рівнях напруги 0, ±U отримуємо другий рівень просторового вектора (h=2), якому відповідає 12 ненульових базових векторів. Період вихідної напруги розподілено на 12 інтервалів часу (рис.4.63), фазна напруга на навантаженні має 9 рівнів, лінійна 5, діаграма напруги БАІН побудована згідно табл.4.14.

Напруга фази БАІН и_АО має прямокутну форму (рис.4.63) при амплітуді напівхвилі U. Відносна тривалість напівхвилі складає α=5/6. Для симетричного навантаження БАІН, з’єднаного за схемою «зірка» (без нейтрального дроту) фазна напруга на навантаженні и_ФА має східчасту форму (рис.4.63) при 4 рівнях у напівхвилі (з амплітудою 1/3U). Вона відрізняється від и_АО лише тим, що в ній відсутні гармоніки кратні трьом. Таким чином, амплітуди першої і найближчих вищих гармонік можна визначити виходячи з розкладання в ряд Фур'є напруги и_АО:

,

, ,

, .