В настоящее время как перспективный вариант многоуровневого преобразователя частоты (МПЧ) рассматриваются схемы несимметричных гибридных МПЧ [1] на базе трехуровневого инвертора напряжения с каскадным включением в фазах однофазных инверторов напряжения. При этом достигается наименьшее количество ключей на уровень выходного напряжения. При напряжении 6 кВ схема трехуровневого инвертора предполагает последовательное соединение IGBT или IGCT на напряжение 4,5...6 кВ. Схема пятиуровневого инвертора при том же количестве ключей (24) имеет большие возможности - количество уровней удваивается.
Цель работы: исследование возможности реализации гибридного несимметричного МПЧ на базе пятиуровневого инвертора при использовании однофазных инверторов в выходных фазах в качестве «реактивной ячейки» - без источника.
При этом необходимо решить следующие задачи:
- исследовать принципы построения звена постоянного тока базового пятиуровневого инвертора;
- разработать соответствующие компьютерные модели для исследования процессов в схеме;
- исследовать возможность задания режима «реактивной ячейки» при регулировании напряжения.
Исследования показали, что использование емкостного делителя напряжения в звене постоянного тока невозможно, поскольку не обеспечивается балансировка напряжений в процессе регулирования выходного напряжения. Поэтому для крайних уровней напряжения следует использовать дополнительные источники постоянного напряжения, а в звене постоянного тока целесообразно использовать 24-фазную схему выпрямления. При этом пары выпрямителей для крайних и для средних уровней используются как два двенадцатифазных выпрямителя со взаимным сдвигом напряжений трансформатора на 30°. Этим обеспечивается эффективное подавление высших гармоник во всем диапазоне регулирования напряжения при разной загрузке выпрямителей.
Если напряжение «реактивной ячейки» в 3 раза меньше напряжения одного уровня базового инвертора, данная схема позволяет получить в фазном напряжении МПЧ 7 уровней напряжения, притом, что в схеме пятиуровневого инвертора уровней только 2. Обеспечение работы инвертора в фазе МПЧ без передачи активной мощности предполагает перераспределение нагрузки между инверторами, что возможно при использовании предварительной модуляции задания третьей гармоникой. Рассчитаны зависимости для амплитуды третьей гармоники в функции выходного напряжения. Вместе с тем стабилизация напряжения на конденсаторе «реактивной ячейки» в разомкнутой системе невозможна, поэтому рассмотрен вариант замкнутой по напряжению системы автоматического регулирования с использованием релейного регулятора. Для снижения потерь переключения в ключах схемы режим ШИМ может использоваться только для ключей первого уровня напряжения базового инвертора. Дальнейшая работа связана с исследованием возможностей реализации комбинированного управления с исключением ШИМ при работе на высоких уровнях напряжения.