Международный журнал инноваций в инженерии. Ноябрь 2009 год

 

 

Источник http://ijrte.academypublisher.com/vol02/no05/ijrte02053842.pdf


Автор перевода: Ханин А.В.


Новый гибридный 27 уровневый преобразователь частоты, питающий асинхронный двигатель

 

K.Ramani, A.Krishnan

 K.S.Rangasamy College of Technology, Tiruchengode. India 637215

K.S.Rangasamy College of Technology, , Tiruchengode. India 637215

 

Аннотация – В работе рассматривается гибридный многоуровневый преобразователь частоты, который питает асинхронный двигатель. Основное внимание уделено топологиям асимметричных преобразователей частоты, главной функцией которых является получение желаемого уровня напряжения путем последовательного подключения нескольких независимых источников постоянного напряжения. Предложенная схема обладает наиболее благоприятными показателями для ее использования в промышленности. Обычно для питания цепей необходимы многоуровневые преобразователи, обладающие двусторонней проводимостью, что удорожает схему и увеличивает потери в силовых ключах. В статье представлен 27 уровневый преобразователь, питающий асинхронный электропривод. Использование многоуровневого инвертора, позволяет существенно улучшить гармонический состав выходного напряжения преобразователя.

 

Ключевые слова – Двигатель переменного тока, Многоуровневый инвертор, Коэффициент гармоник (THD), Источник постоянного тока.

 

1.      ВВЕДЕНИЕ

 

Многоуровневый инвертор дал возможность получать выходное напряжение преобразователя выше чем допустимое напряжение стандартного полупроводникового ключа. Есть довольно много вариантов схем многоуровневых инверторов [1] – [5]. Основными являются инверторы с нулевой точкой и фиксирующими диодами или конденсаторами и каскадные инверторы. В этой статье рассмотрен гибридный многоуровневый инвертор, позволяющий увеличить количество уровней выходного напряжения и, тем самым, уменьшить значения высших гармоник в выходном сигнале [2].  Кроме того ключи с более высоким уровнем напряжения в звене постоянного тока имеют меньшую частоту переключения, что позволяет уменьшить коммутационные потери в преобразователи. Также возможны комбинации различных типов переключателей для оптимизации эффективности инвертора. Гибридный многоуровневый инвертор состоит из модулей, каждый из которых включает в себя двухфазный мостовой инвертор напряжения с отдельным источником постоянного тока. Источники постоянного тока соотносятся друг с другом как 1:3:9:…:3s-1,где s – количество модулей. Кривая выходного напряжение имеет 27 уровней

Преобразователь генерирует 3s различных уровней напряжения (например, инвертор, имеющий 3 модуля, способен на выходе сгенерировать 27 различных уровней напряжения). Принципиальная схема гибридного многоуровневого инвертора изображена на рис.1.  Этот многоуровневый преобразователь состоит из множества последовательно соединенных ячеек. Каждая ячейка состоит из 4 полупроводниковых ключей, соединенных по мостовой схеме, и независимого источника постоянного тока. Выходное напряжение инвертора состоит из суммы напряжений каждой ячейки.

 

Рисунок 1 – Принципиальная схема гибридного инвертора

 

 

2.           МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОУРОВНЕВОГО ГИБРИДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ

 

Каждый модуль многоуровневого инвертора на выходе выдает напряжение:

 

                                         (1)

 

А входной ток будет:

 

                                        (2)

 

где i=1,2,3… –  номер  модуля, Ia – выходной ток гибридного инвертора, S1i, S2i – положение верхних ключей каждого i-го мостового инвертора.

Тогда выходное напряжение одной фазы многоуровневого гибридного преобразователя будет:

 

                                                       (3)

 

3.                  ПРЕДЛОЖЕННЫЙ МЕТОД

 

В предложенном варианте инвертор имеет три входных звена, каждое из которых имеет схожую конструкцию. Все модули соединены последовательно друг с другом рис. 2.

В качестве силовых ключей могут выступать как IGBT или MOSFET так и любые другие полностью управляемые полупроводниковые ключи. В этой схеме (рис. 2) были использованы ключи MOSFET. Полупроводниковые элементы работают в режиме переключения так, чтобы два ключа каждого моста двухфазных инверторов находились в противофазе т.е.. Это необходимо для исключения возникновения коротких замыканий. Число уровней увеличивается при подключении максимального числа модулей.

 

А. Конфигурации инверторов

 

Большое количество схем асимметричных инверторов обусловлено простотой изменения их конфигураций. Можно менять тип и напряжение в звене постоянного тока ячеек, однако общепризнанным остается количество ячеек на фазу многоуровневого инвертора.

Рисунок 2 – Предложенная схема одной фазы гибридного инвертора

 

В. Условия коммутации ключей инвертора

 

Для исследования многоуровневого асимметричного инвертора были использованы MOSFET тиристоры с разным уровнем номинального напряжения. Пока еще ключи на  высокий уровень напряжения имеют меньшую частоту коммутации и высокий уровень потерь при их переключении. Поэтому чтобы снизить частоту коммутаций ключей высоковольтной ячейки, условие модуляции должно быть:

 

                                        (4)

 

где  и – уровень и шаг квантования k-ой ячейки.

Наиболее эффективным для многоуровневого инвертора является использование ключей с низким уровнем потерь в проводящем состоянии для ячеек с высоким уровнем напряжения, и ключей с малыми коммутационными потерями для ячеек с низким уровнем напряжения.

 

Таблица 1 – Таблица переключения гибридного несимметричного инвертора

 

Рисунок 3 – Модель многоуровневого гибридного несимметричного преобразователя частоты питающего АД.

 

На основе количества возможных комбинаций входных напряжения, а, следовательно, и количества уровней в кривой выходного напряжения (таб. 1) можно выбрать наиболее подходящий алгоритм управления. С учетом того что не эффективным являются частые переключения ключей в ячейках с высоким уровнем напряжения, такую комбинацию уровней напряжения в звене постоянного тока (1:3:9) удобно использовать для формирования ступенчатой формы кривой выходного напряжения (амплитудное управление).

Рисунок 4 – Модель подсистемы

 

C. Гармонический ряд в многоуровневом инверторе

 

Выходное напряжение v(t) многоуровневого инвертора может быть разложено в ряд Фурье.

 

                                (5)

 

Т.к. кривая выходного напряжения на половине периода симметрична относительно четверти периода четные гармоники в ней отсутствуют ().

Рассчитав амплитуды n гармоник an можно определить коэффициент гармоник (Total Harmonics Distortion)

 

                                                          (6)

 

где a1 – амплитуда первой гармоники в кривой выходного напряжения.

 

4.      РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

 

Рисунок 5 – Трехфазное выходное напряжение многоуровневого инвертора

Рисунок 6 – Линейное напряжение многоуровневого инвертора

Рисунок 7 – Ток статора АД

Рисунок 8 – Скорость ротора АД

 

 

Рисунок 9 – Спектр выходного напряжения многоуровневого инвертора

 

5. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

 

 На рисунках 5, 6 изображены выходные сигналы фазного и линейного напряжения в  установившемся режиме. Амплитуда выходного напряжения – 400 В. Питающее двигатель, выходное напряжение инвертора практически синусоидально, поскольку высшие гармоники были снижены.

На рисунке 7 изображен ток статора двигателя, питающегося от многоуровневого инвертора. Скорость двигателя представлена на рисунке 8. Двигатель разгоняется за короткий период времени до номинальной скорости – 1400 об/мин. В начальный момент времени (момент пуска) ток в статоре максимальный, соответствующий пусковому току двигателя, по окончании разгона двигателя ток падает до минимума (тока холостого хода), что и показано на рисунке 7. При использовании предложенного 27 уровневого инвертора коэффициент гармоник резко снижается до уровня 0.15 %, сто и показано на рисунке 9.

Таким образом из полученных результатов видно значительное улучшение качества выходного напряжения преобразователя при использовании предложенной схемы 27 уровневого инвертора.

 

 

ВЫВОДЫ

 

Предлагается улучшенная новая схема 27 уровневого гибридного инвертора. Такой инвертор позволяет получить лучшую кривую выходного напряжения с большим числом уровней по сравнению с двух- и трехуровневыми схемами.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

 

Параметры двигателя

 

Серия асинхронного двигателя 

3НР

Число пар полюсов 

2

Активное сопротивление статора

1.55 Ом

Активное сопротивление ротора

1.25 Ом

Индуктивность статора

0.172 мГн

Индуктивность ротора

0.172 мГн

Индуктивность намагничивающего контура

0.166 мГн

Момент инерции двигателя

0.016 кг-м2

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

[1] A. Nabae and H. Akagi. “A new neutral-point-clamped PWM Inverter”, IEEE Transactions on Industry Applications, 17(5): 518–523, September 1981.

[2] Y.S.Lai andet al. “Topology for hybrid multi level inverter”, IEE Proc-Electr.Power Appl.Vol 149,No 6 nov 2002

[3] T. Meynard and H. Foch. “Multi-level choppers for high voltage Applications”, EPE Journal, 2(1):45–50, 1992.

[4] O.M. Mueller and J.N. Park. Quasi-linear IGBT inverter topologies. APEC’94 Conference Proceedings, 1:253–259, Feb1994.

[5] M.D. Manjrekar, P.K. Steimer, and T.A. Lipo. “Hybrid multilevel power conversion system: A competitive solution for high power applications”. IEEE Transations on Industry Applications, 36(3): 834–841, May/June 2000.

[6] K.A. Corzine, S.D. Sudhoff, and C.A. Whitcomb. “Performance characteristics of a cascaded two-level converter”.IEEE Transactions on Energy Conversion, 14(3), September 1999.

[7] A. Rufer, M. Veenstra, and K. Gopakumar. “Asymmetric multi level converter for high resolution voltage phasor generation”, EPE’99.

[8] P.K. Steimer and M.D.Manjrekar. Practical medium voltagei nverter topologies for high power applications. IAS’2001 Conference roceedings, 3:1723–1730, September 2001.

[9] M. Veenstra and A. Rufer. Control of a hybrid asymmetric multilevel inverter for competitive medium-voltage industrial drives. IAS’2003, 1:190 – 197, October 2003.

[10] S. Mariethoz and A.C. Rufer. Design and control of asymmetrical multilevel inverters. IECON’02, November 2002.