46

8. Гібридні схеми багаторівневих інверторів

Гібридні схеми на базі трифазного БАІН з каскадним включенням у вихідних фазах додаткових однофазних мостових АІН (ДАІН) слід розглядати як наступний крок по мінімізації силових кіл перетворювача.

Це стосується вхідного кола і дозволяє зменшити кількість ізольованих джерел постійного струму (ДПС) порівняно зі схемою асиметричного каскадного БАІН. При використанні у вихідних фазах «реактивних комірок» (див.п.4.3.9) кількість ДПС може бути зведене до мінімуму (при базовому трирівневому АІН (ТАІН) – одне ДПС, для чотирирівневого АІН (ЧАІН) – три). Це дозволяє застосовувати гібридні схеми в енергетиці, де визначальним є якість вихідної напруги. Найбільший ефект при цьому досягається з використанням принципу асиметрії. У подальшому розглянемо кратність напруги ДПС базового БАІН і ДАІН 3:1. Це забезпечить чотири рівні напруги у напівхвилі результуючої напруги фази проти одного у схемі ТАІН.

С хема фази гібридного БАІН на базі ТАІН з додатковим однофазним інвертором приведена на рис.4.130. В якості ДПС використовуються трифазні випрямлячі (В). Основна проблема, яка підлягає рішенню при реалізації розглянутої схеми – виключення циркуляції енергії (п.4.3.7) для забезпечення завдання режиму роботи ДАІН з передачею енергії в навантаження. У противному випадку слід використовувати ДПС с двобічною провідністю.

При кратності напруги 3:1 згідно п.4.3.7 доцільно використовувати квантування напруги завдання (u_ЗАД) за рівнем при модуляції 3-ю та 9-ю гармоніками. Алгоритм реалізації для фази БАІН можна звести до наступного. Формуємо напругу u_ЗАД як суму відповідних гармонік. За допомогою компаратора (порівняння з 0) одержуємо функцію sign(u_ЗАД). Перетворюємо u_ЗАД до однієї полярності u¹_ЗАД = u_ЗАДsign(u_ЗАД). За допомогою набору компараторів порівнюємо u_1ЗАД з рівнями квантування U_КBi=0.5, 1.5, 2.5, 3.5. При u_1ЗАД≥U_КВі напруга компаратора дорівнює 1, інакше 0. Позначимо напруги компараторів відповідно до рівнів квантування (U_0.5, U_1.5 і т.д.) тоді для напруги АІН одержуємо:

Сигнали керування ключами ТАІН і ДАІН формуються відповідно до u₁ і u₃. Методика розрахунку амплітуди модулюючих гармонік аналогічна методиці, що розглянута в п.4.3.2.3. Для спрощення розрахунок виконано для значення А₃=0.15А. Результати розрахунку А₉ приведені в табл.4.26 для значень А=2.6- 4.6.

Таблиця 4.26

Відносне значення амплітуди А₉

A	4.6	4.4	4.2	4.0	3.8	3.6	3.4	3.2	3	2.8	2.6
A9	0.1	0.35	0.5	0.5	0.95	1.05	1.35	1.32	1.2	1.35	1.4

Максимальні значення відносної ємності (п.4.3.7) конденсаторів ТАІН (С*₃) і ДАІН (С*₁) становлять С*₃=0.1, С*₁=0.29. При вихідній напрузі 6 кВ значення U=1065 В, 3U=3195 В, слід використовувати ключі на напругу, відповідно 2.5кВ, 6 кВ. У той же час у схемі ТАІН при вихідній напрузі 6 кВ кВ, тому вони випускаються тільки на напругу 4.16кВ.

О сцилограми напруги фази навантаження u_ФН, фази гібридного БАІН u_ФБАІН, фази ТАІН u_ФТАІН та АІН u₁ при квантуванням за рівнем для значень А=4.6 (THD=5.15%, з урахуванням порядку гармонік до 200 THD₂₀₀=4.9%) та А=2.6 (THD=13.36%, THD₂₀₀=12.3%) приведені на рис.4.131.

Гібридний БАІН на базі ЧАІН. Напруга ДАІН U=1, відповідно, один рівень напруги ЧАІН 3U=3. З урахуванням цього напруга фази БАІН може приймати значення (щодо негативного виводу ДПС) від -1 до 10 (N=11). Для формування вихідної напруги можна використати квантування напруги завдання за рівнем при модуляції 3-ю та 9-ю гармоніками.

Для симетрії завантаження елементів схеми напругу, що формується, розглядаємо щодо штучної середньої точки, яка відповідає половині загальної напруги ДПС чотирирівневого АІН (рис.4.132), тобто (3+1.5)U=4.5U. По досягненню відповідного значення U_КВi=0, 1, 2, 3, 4, 5 (кути θ_0j=0, θ_1j, θ_2j, θ_3j, θ_4j, θ_5j) здійснюється перехід на черговий рівень, якому відповідають змінні U₀, U₁, U₂, U₃, U₄, U₅. Напруга чотирирівневого АІН приймає значення 0, 3, 6, 9, чому відповідні логічні змінні М₀, М₁, М₂, М₃ (якщо U=0, М₀=1, якщо U=3, М₁=1, якщо U=6, М₂=1, якщо U=9, М₃=1). Напруга додаткового АІН: . Тоді: , , , (при sign(u_ЗАД)=1 S₁=1, інакше S₁=0). Сигнали керування ключів чотирирівневого АІН: , , , , , .

Методика розрахунку амплітуди модулюючих гармонік аналогічна методиці, що розглянута в п.4.3.2.3. Максимальні значення відносної ємності (п.4.3.7) конденсаторів ЧАІН (С*₃₁ – крайні ДПС, С*₃₂ – середнє ДПС) і ДАІН (С*₁) становлять С*₁=0.76, С*₃₁=0.164, С*₃₂=0.068.

Максимальне значення А=6.4, при цьому THD=4.18%. При вихідній напрузі 6 кВ значення U=765 В, 3U=2295 В, слід використовувати ключі на напругу, відповідно 1.7кВ, 4.5 кВ.

Гібридний БАІН на базі п’ятирівневого АІН (ПАІН). Напруга ДАІН U=1, відповідно, один рівень напруги ПАІН 3U=3. З урахуванням цього напруга вихідної фази МПЧ змінюється (щодо виводу ПАІН 0) від -7 до 7. За допомогою набору компараторів u_1ЗАД порівнюється з рівнями квантування U_КBi=0.5, 1.5, …, 6.5. Тоді для напруги ПАІН і ДАІН одержуємо:

Сигнали керування ключами ПАІН і ДАІН формуються відповідно до u₁ і u₃. Методика розрахунку аналогічна методиці, що розглянута вище.

Осцилограми напруги фази навантаження u_ФН, фази гібридного БАІН u_ФБАІН, фази ПАІН u_ФПАІН та АІН u₁ при квантуванням за рівнем для значення А=8 подані на рис.4.133. Для напруги навантаження THD=3.1%, THD₂₀₀=2.87%.

М аксимальні значення відносної ємності (п.4.3.7) конденсаторів ПАІН (С*₃₁ –ДПС крайніх рівнів, С*₃₂ – ДПС середніх рівнів) і ДАІН (С*₁) становлять С*₁=0.31, С*₃₁=0.15, С*₃₂=0.17. Максимальне значення А=8. При вихідній напрузі 6 кВ значення U=612 В, 3U=1837 В, слід використовувати ключі на напругу, відповідно (1.2-1.7)кВ, 4.5 кВ.