RU2269196C1 - Voltage converter built around combined circuit arrangement - Google Patents
Voltage converter built around combined circuit arrangement Download PDFInfo
- Publication number
- RU2269196C1 RU2269196C1 RU2004122340/09A RU2004122340A RU2269196C1 RU 2269196 C1 RU2269196 C1 RU 2269196C1 RU 2004122340/09 A RU2004122340/09 A RU 2004122340/09A RU 2004122340 A RU2004122340 A RU 2004122340A RU 2269196 C1 RU2269196 C1 RU 2269196C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- switching
- phase
- inverter
- voltage
- series
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
- H02M7/487—Neutral point clamped inverters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/0095—Hybrid converter topologies, e.g. NPC mixed with flying capacitor, thyristor converter mixed with MMC or charge pump mixed with buck
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
- H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к высоковольтным преобразователям, требующим использование последовательного соединения полупроводниковых управляемых приборов, и предназначено для устройства регулирования и компенсации реактивной мощности в энергосистемах. Такой преобразователь может быть использован также в качестве инвертора в высоковольтном частотно-регулируемом электроприводе.The invention relates to a converter technique, namely to high-voltage converters requiring the use of serial connection of semiconductor controlled devices, and is intended for a device for regulating and compensating reactive power in power systems. Such a converter can also be used as an inverter in a high-voltage frequency-controlled electric drive.
Известно применение в устройствах для регулирования и компенсации реактивной мощности в энергосистемах трехуровневого широтно-импульсного преобразователя [1]. Это самое простое по конфигурации техническое решение, но для осуществления его требуются высокочастотные переключения. Для реализации такого преобразователя в классе более высоких напряжений необходимо использование последовательного соединения управляемых полупроводниковых приборов. Даже при незначительном разбросе по времени запаздывания выключения (turn off) и включения (turn on) в последовательно соединенных приборах для выравнивания напряжений требуются делящие цепи значительной мощности, потери энергии в которых многократно выше динамических потерь энергии в самом приборе. Теоретически возможно также производить подбор идентичных приборов без делящих цепей, но на практике он не реализуем. Схемы с трансформаторным сложением, когда напряжения нескольких инверторов складываются с помощью специальных промежуточных трансформаторов требуют дополнительных затрат.Known application in devices for regulating and compensating reactive power in power systems of a three-level pulse-width converter [1]. This is the simplest configuration solution, but it requires high-frequency switching to implement it. To implement such a converter in the higher voltage class, it is necessary to use a series connection of controlled semiconductor devices. Even with a slight spread in turn-off and turn-on delays in series-connected devices, voltage equalization requires dividing circuits of significant power, the energy loss of which is many times higher than the dynamic energy loss in the device itself. Theoretically, it is also possible to select identical devices without dividing circuits, but in practice it is not feasible. Circuits with transformer addition, when the voltages of several inverters are added using special intermediate transformers, require additional costs.
Известны преобразователи для регулируемого электропривода, выполненные по комбинированной схеме [2], состоящей из трехфазного двухуровневого (формирующего два уровня напряжения: положительное и отрицательное) или трехуровневого (формирующего три уровня напряжения: положительное, отрицательное и нулевое) базового инвертора напряжения, одной или нескольких последовательно соединенных однофазных мостовых инверторных схем в каждой фазе на выходе базового инвертора и системы управления всеми инверторами широтно-импульсным способом. Этот вариант наиболее близок к настоящему изобретению. И двухуровневый и трехуровневый базовый трехфазный инвертор выполняется на уровень напряжения, в несколько раз превышающий напряжение в однофазных мостовых схемах, и формирует основу напряжения, близкую по эффективному значению, но неудовлетворительную по форме. При этом частота коммутаций трехфазного инвертора намного ниже частоты коммутаций в однофазных мостовых схемах. Однофазные мостовые инверторы формируют добавку к основе. В результате формируется суммарный сигнал нужной формы. Это хорошее техническое решение для напряжений порядка 6-7 кВ (как указано в [2]). Для реализации такого преобразователя в классе более высоких напряжений требуется использование последовательного соединения полупроводниковых приборов и в этом случае так же, как и в [1], для выравнивания напряжений требуются делящие цепи значительной мощности, потери энергии в которых многократно выше динамических потерь энергии в самом приборе.Known converters for a controlled electric drive, made according to a combined circuit [2], consisting of a three-phase two-level (forming two voltage levels: positive and negative) or three-level (forming three voltage levels: positive, negative and zero) of the base voltage inverter, one or more in series connected single-phase bridge inverter circuits in each phase at the output of the base inverter and the control system of all inverters in a pulse-width manner. This embodiment is closest to the present invention. Both the two-level and three-level basic three-phase inverters are executed at a voltage level several times higher than the voltage in single-phase bridge circuits, and forms the voltage base, which is close in effective value, but unsatisfactory in shape. Moreover, the switching frequency of a three-phase inverter is much lower than the switching frequency in single-phase bridge circuits. Single-phase bridge inverters add to the base. As a result, a total signal of the desired shape is formed. This is a good technical solution for voltages of the order of 6–7 kV (as indicated in [2]). To implement such a converter in the higher voltage class, the use of serial connection of semiconductor devices is required, and in this case, as in [1], voltage equalization requires dividing circuits of significant power, the energy loss of which is many times higher than the dynamic energy loss in the device itself .
Известно изобретение [3], дающее снижение динамических потерь транзисторов в транзисторном инверторе, выполненном по мостовой схеме, путем введения в каждое плечо дополнительной цепочки, уменьшающей скорость нарастания напряжения на каждом из транзисторов, за счет уменьшения скорости нарастания разрядного тока конденсаторов. Применение преобразователя с такими цепочками в двухуровневой трехфазной схеме возможно, но предполагает низкую частоту коммутаций и, следовательно, качество выходного напряжения преобразователя оказывается для поставленных задач неудовлетворительным. В трехфазной трехуровневой схеме предложенные цепочки не работают.The invention is known [3], which reduces the dynamic losses of transistors in a transistor inverter made according to a bridge circuit by introducing into each arm an additional circuit that reduces the slew rate of the voltage across each of the transistors by reducing the slew rate of the capacitor discharge current. The use of a converter with such chains in a two-level three-phase circuit is possible, but assumes a low switching frequency and, therefore, the quality of the output voltage of the converter is unsatisfactory for the tasks. In the three-phase three-level circuit, the proposed chains do not work.
Цель настоящего изобретения заключается в повышении надежности и снижении потерь мощности при построении комбинированной схемы высоковольтного преобразователя, использующего последовательное соединение полупроводниковых управляемых приборов. Техническое решение позволяет применить последовательное соединение приборов, в которых имеется разброс по времени запаздывания выключения (turn off) и включения (turn on).The purpose of the present invention is to increase reliability and reduce power losses when constructing a combined circuit of a high voltage converter using a serial connection of semiconductor controlled devices. The technical solution allows the serial connection of devices in which there is a spread in the delay time for turning off (turn off) and turning on (turn on).
Достижение указанной цели в преобразователе напряжения, выполненном по комбинированной схеме, включающей в себя базовый трехфазный мостовой инвертор напряжения на вентилях, образованных последовательно соединенными управляемыми полупроводниковыми приборами в каждом плече моста, имеющий двух-, трех- и более многоуровневую структуру, и однофазные мостовые инверторы напряжения, подключенные к каждому фазному выходу базового инвертора по одному или несколько соединенные последовательно по переменному току в каждой фазе, обеспечивается введением в каждое плечо базового инвертора коммутирующих цепочек из последовательно соединенных конденсатора и коммутирующих диодов, а также коммутирующих реакторов, включенных последовательно с вентилем плеча соответственно со стороны плюсовой или минусовой шины базового инвертора и/или его фазного выхода, причем диоды коммутирующих цепочек подключены непосредственно к вентилю плеча согласно с ним относительно коммутирующих реакторов. Введенные в схему базового инвертора конденсаторы включены параллельно вентилям плеч и отделены от них коммутирующими диодами. Также в каждую фазу базового инвертора введены рекуперирующие блоки, осуществляющие возврат энергии коммутации в конденсаторы постоянного напряжения. Рекуперирующие блоки, выходами включенные между шинами постоянного тока базового инвертора, входами включены соответственно между плюсовой шиной, минусовой шиной или фазным выводом и точками соединения конденсаторов и диодов коммутирующих цепочек. При вышеизложенном построении схемы выбран алгоритм управления, в соответствии с которым осуществляются переключения базовой схемы на низкой частоте, сопоставимой с частотой сети, благодаря чему не требуется быстрой коммутации. Формирование отслеживаемого сигнала происходит на размещенных каскадно однофазных инверторных мостах за счет широтно-импульсной модуляции в каждой мостовой схеме и сдвига в управлении каждым из однофазных мостов, причем более высокая частота коммутации в них возможна, так как последовательного соединения полупроводниковых приборов не предполагается.Achieving this goal in a voltage converter made according to a combined circuit, which includes a basic three-phase bridge voltage inverter for gates formed by series-connected controlled semiconductor devices in each arm of the bridge, having a two-, three- or more multi-level structure, and single-phase bridge voltage inverters connected to each phase output of the base inverter, one or more connected in series by alternating current in each phase, is provided introducing into each arm of the base inverter switching circuits from series-connected capacitor and switching diodes, as well as switching reactors connected in series with the shoulder valve, respectively, from the plus or minus side of the base inverter and / or its phase output, and the switching circuit diodes connected directly to the valve shoulder according to him regarding switching reactors. The capacitors introduced into the basic inverter circuit are connected in parallel to the arm valves and are separated from them by switching diodes. Also, in each phase of the base inverter, regenerative units are introduced that return switching energy to DC voltage capacitors. The recuperating units, the outputs included between the DC bus of the base inverter, the inputs are connected respectively between the positive bus, negative bus or phase output and the connection points of the capacitors and diodes of the switching circuits. In the above construction of the circuit, a control algorithm is selected according to which the base circuit is switched at a low frequency comparable to the network frequency, so fast switching is not required. The formation of the monitored signal occurs on cascaded single-phase inverter bridges due to pulse-width modulation in each bridge circuit and a shift in the control of each of the single-phase bridges, with a higher switching frequency possible, since serial connection of semiconductor devices is not supposed.
Для пояснения существа изобретения на фиг.1а представлена структурная схема преобразователя для регулирования и компенсации реактивной мощности в системах электропитания электросетей, основа выходного напряжения в котором формируется с помощью трехуровневого трехфазного мостового инвертора;To clarify the invention, Fig. 1a shows a block diagram of a converter for regulating and compensating reactive power in power supply systems of electric networks, the basis of the output voltage in which is formed using a three-level three-phase bridge inverter;
на фиг.1б приведена структурная схема фазы трехуровневого трехфазного мостового инвертора;on figb shows a structural diagram of the phase of a three-level three-phase bridge inverter;
на фиг.1в приведена структурная схема блоков рекуперации энергии, используемых в фазах трехфазного инвертора;on figv shows a block diagram of energy recovery units used in the phases of a three-phase inverter;
на фиг.2а представлена структурная схема преобразователя, основа выходного напряжения в котором формируется с помощью двухуровневого трехфазного мостового инвертора;on figa presents a structural diagram of the Converter, the basis of the output voltage in which is formed using a two-level three-phase bridge inverter;
на фиг.2б приведена структурная схема фазы двухуровневого трехфазного мостового инвертора;on figb shows a structural diagram of the phase of a two-level three-phase bridge inverter;
на фиг.2в приведена структурная схема фазы двухуровневого трехфазного мостового инвертора с включением коммутирующих реакторов в средней точке фазы;on figv shows a structural diagram of the phase of a two-level three-phase bridge inverter with the inclusion of switching reactors in the midpoint of the phase;
на фиг.3 приведена структура системы управления преобразователя;figure 3 shows the structure of the control system of the Converter;
на фиг.4 приведены осциллограммы напряжений на трех последовательно соединенных IGCT-тиристорах (4500 В, 4000 А) при задержке выключения двух из них на 1 мкс при наличии в схеме коммутирующих цепей;figure 4 shows the waveforms of voltages on three series-connected IGCT-thyristors (4500 V, 4000 A) with a delay off of two of them by 1 μs in the presence of switching circuits in the circuit;
на фиг.5 приведены осциллограммы, поясняющие принцип работы предлагаемой схемы.figure 5 shows the oscillograms explaining the principle of operation of the proposed circuit.
Устройство и критерии выбора типа и количества необходимых элементов заявленного технического решения в его статическом состоянии описаны по схемам фиг.1 и фиг.2.The device and selection criteria for the type and number of necessary elements of the claimed technical solution in its static state are described according to the schemes of figure 1 and figure 2.
Приводим варианты построения трехфазного инвертора по трех- и двухуровневой схеме.We give options for constructing a three-phase inverter according to a three- and two-level scheme.
1. Структура преобразователя, основа выходного напряжения в котором формируется с помощью трехуровневого трехфазного мостового инвертора, представлена на фиг.1а.1. The structure of the Converter, the basis of the output voltage in which is formed using a three-level three-phase bridge inverter, is presented in figa.
Трехуровневый трехфазный мостовой инвертор 1 состоит из трех фаз (2, 3, 4) и конденсаторной батареи (5, 6) со средней (нейтральной) точкой 7. К фазным выводам трехфазного инвертора (точки 8, 9, 10) подключаются последовательно соединенные однофазные мостовые инверторы (11(1)...11(n), 12(1)...12(n), 13(1)...13(n)). Контактные шины комбинированного преобразователя (точки А, В, С) подключается к электросети (без фильтрации или с фильтрацией - в зависимости от требований применения).A three-level three-
Для обеспечения коммутации вентилей 14, 15, 16, 17 (фиг.1б - фаза 2) фазы мостового инвертора 2, 3, 4 с вентилями, образованными последовательным соединением полностью управляемых полупроводниковых приборов (с обратными диодами и защитными цепями), в схему фазы инвертора включены конденсаторные батареи (на фиг.1б: 18 между точками 20 и 21; 19 между точками 22 и 23) для ограничения скорости изменения напряжения на вентилях (далее - dU/dt). Значение емкости конденсаторных батарей выбирается из расчета ограничения dU/dt на приемлемом уровне исходя из требования не превышения максимально допустимого рабочего напряжения на полупроводниковых приборах с учетом разброса их времени включения/выключения (при выключении самый "быстрый", а при включении самый "медленный" приборы при отсутствии дополнительных мер оказываются под полным напряжением). Для обеспечения коммутации вентилей без бросков тока через обратные диоды (14(1)...14(n2), 15(1)...15(n2). 16(1)...16(n2), 17(1)...17(n2)) и шунтирующие (24, 25) диоды, для уменьшения уровня перенапряжения на вентилях из-за индуктивности монтажа фильтрующих конденсаторных батарей постоянного напряжения (на фиг.1а: 5 и 6), а также для ограничения тока короткого замыкания при пробоях в схему фазы инвертора включены коммутирующие реакторы (фиг.1б: 26 между точками 28 и 29; 27 между точками 30 и 8; 31 между точками 8 и 32; 33 между точками 34 и 35), ограничивающие скорость изменения тока (di/dt) через вентили. Значение индуктивности коммутирующих реакторов выбирается из расчета ограничения di/dt на приемлемом уровне, исходя из требования не превышения максимально допустимого повторяющегося тока через полупроводниковые приборы. Для вывода энергии реактора после коммутации вентиля в схему включены коммутирующие диоды (на фиг.1б: 36 между точками 20 и 29; 37 между точками 21 и 27; 38 между точками 22 и 33; 39 между точками 23 и 34) и рекуперирующие преобразователи (на фиг.1б: 40 между точками 29 и 20, 41 между точками 21 и 22 и 42 между точками 23 и 35), осуществляющие возврат энергии коммутации обратно в конденсаторы постоянного напряжения 5 и 6 (за исключением потерь в самих преобразователях).To ensure switching of the
2. Структура преобразователя, основа выходного напряжения в котором формируется с помощью двухуровневого трехфазного мостового инвертора, представлена на фиг.2а2. The structure of the Converter, the basis of the output voltage in which is formed using a two-level three-phase bridge inverter, is presented in figa
Двухуровневый трехфазный мостовой инвертор 1 состоит из трех фаз (2, 3, 4) и конденсаторной батареи 43. К фазным выводам трехфазного инвертора (точки 8, 9, 10) подключаются последовательно соединенные однофазные мостовые инверторы 12(1)...12(n), 13(1)...13(n), 14(1)...14(n)). Контактные шины комбинированного преобразователя (точки А, В, С) подключаются к электросети (без фильтрации или с фильтрацией - в зависимости от требований применения).A two-level three-
Для обеспечения коммутации вентилей 44, 45 (фиг.2б) фазы мостового инвертора 2, 3, 4 с вентилями, образованными последовательным соединением полностью управляемых полупроводниковых приборов (с обратными диодами и защитными цепями), в схему фазы инвертора включены конденсаторные батареи (на фиг.2а: 46 между точками 48 и 8; 47 между точками 8 и 49) для ограничения dU/dt на вентилях. Значение емкости конденсаторных батарей выбирается из расчета ограничения dU/dt на приемлемом уровне исходя из требования не превышения максимально допустимого рабочего напряжения на полупроводниковых приборах с учетом разброса их времени включения/выключения.To ensure the switching of the
Для обеспечения коммутации вентилей без бросков тока через обратные (44(1)...44(n3), 45(1)...45(n3),) диоды, для уменьшения уровня перенапряжения на вентилях из-за индуктивности монтажа фильтрующей конденсаторной батареи постоянного напряжения (на фиг.2а: 43), а также для ограничения тока короткого замыкания при пробоях в схему фазы инвертора включены коммутирующие реакторы (на фиг.2б: 50 между точками 29 и 51; 53 между точками 52 и 35), ограничивающие скорость изменения тока (di/dt) через вентили. Значение индуктивности коммутирующих реакторов выбирается из расчета ограничения di/dt на приемлемом уровне, исходя из требования не превышения максимально допустимого повторяющегося тока через полупроводниковые приборы. Для вывода энергии реактора после коммутации вентиля в схему включены коммутирующие диоды (на фиг.2б: 54 между точками 48 и 51; 55 между точками 52 и 49) и рекуперирующие преобразователи (на фиг.2б: 56 между точками 29 и 48, 57 между точками 49 и 35), осуществляющие возврат энергии коммутации обратно в конденсаторную батарею постоянного напряжения 43 (за исключением потерь в самих преобразователях).To ensure switching of valves without inrush currents through reverse (44 (1) ... 44 (n3), 45 (1) ... 45 (n3),) diodes, to reduce the level of overvoltage on the valves due to the inductance of mounting a filtering capacitor DC batteries (in Fig. 2a: 43), as well as for limiting the short circuit current during breakdowns, switching reactors are included in the inverter phase circuit (in Fig. 2b: 50 between
По аналогии с [3], коммутирующие реакторы могут быть включены и в средней точке фазы (фиг.2в).By analogy with [3], switching reactors can be turned on at the midpoint of the phase (pigv).
Принцип работы предлагаемого преобразователя поясним на примере варианта его исполнения с трехфазным мостовым трехуровневым инвертором в качестве базового инвертора.We explain the operation principle of the proposed converter using an example of a version with a three-phase bridge three-level inverter as a base inverter.
Система управления (фиг.3) с помощью блоков ШИМ-модулятора формирует в заданной последовательности импульсы управления вентилями всех инверторов. При этом трехуровневый трехфазный мостовой инвертор формирует между средней точкой 7 и фазными выводами трехфазного инвертора (точки 8, 9, 10) один из трех уровней напряжения (положительное, отрицательное и ноль) (U3 на фиг.5). Переключения вентилей осуществляются системой управления в соответствии с принятым алгоритмом. Система управления имеет несколько контуров регулирования, среди которых можно выделить два глобальных контура:The control system (figure 3) using the blocks of the PWM modulator generates in a given sequence the control pulses of the valves of all inverters. In this case, the three-level three-phase bridge inverter forms one of the three voltage levels (positive, negative and zero) between the
- по амплитудному значению тока через реактор выходного фильтра (сигнал i на фиг.3);- the amplitude value of the current through the reactor output filter (signal i in figure 3);
- по амплитудному значению напряжения с выхода (трансформатор напряжения на шинах подключения конденсаторов выходного фильтра) - (сигнал и на фиг.3).- according to the amplitude value of the voltage from the output (voltage transformer on the busbars connecting the capacitors of the output filter) - (signal and figure 3).
Помимо этого, для отработки быстрых процессов организованы локальные контуры регулирования по мгновенным значениям тока и напряжения с выходного фильтра, а также несколько локальных контуров регулирования по току и напряжению с конденсаторов постоянного напряжения базового инвертора и однофазных мостов каскадного инвертора.In addition, to develop fast processes, local control loops for instantaneous current and voltage values from the output filter, as well as several local control loops for current and voltage from DC capacitors of the base inverter and single-phase bridges of the cascade inverter, are organized.
В целом система управления построена по принципу поддержания заданного значения (REFO на фиг.5) отслеживаемого ею выходного сигнала. Базовый трехфазный мостовой инвертор формирует основу (U3 на фиг.5) выходного напряжения преобразователя с низкой частотой переключения (S13...S123 a, b, c) на фиг.3). Разница между заданием и основой U3 формируется однофазными мостовыми инверторами посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Управление каждым из однофазных мостовых инверторов ((S10...S40 a, b, c), (S11...S4l a, b, c), (S12...S42 a, b, c) на фиг.3) осуществляется с фазовым сдвигом относительно друг друга, за счет чего увеличивается результирующая частота пульсаций выходного напряжения.In general, the control system is built on the principle of maintaining a given value (REFO in FIG. 5) of the output it monitors. The basic three-phase bridge inverter forms the basis (U3 in Fig. 5) of the output voltage of the converter with a low switching frequency (S1 3 ... S12 3 a, b, c) in Fig. 3). Difference between task and the base U3 is formed by single-phase bridge inverters by means of pulse width modulation (PWM). Control of each of the single-phase bridge inverters ((S1 0 ... S4 0 a, b, c), (S1 1 ... S4 l a, b, c), (S1 2 ... S4 2 a, b, c ) in figure 3) is carried out with a phase shift relative to each other, due to which the resulting ripple frequency of the output voltage increases.
В схему включены рекуперирующие преобразователи, осуществляющие возврат энергии коммутации в конденсаторную батарею постоянного напряжения 5, 6 (за исключением потерь в самих преобразователях). Работу одного из возможных вариантов рекуперирующего преобразователя поясняет фиг.1в. При выключении управления вентиля (например 14) энергия коммутирующего реактора (например 26) через коммутирующие диоды (например 36) заряжает конденсатор 58. В среднем постоянное напряжение конденсатора 58 преобразуется инвертором 59 в переменное напряжение повышенной частоты. Трансформатор 60 повышает его до уровня напряжения на конденсаторной батарее 5, 6 звена постоянного тока и далее после выпрямления выпрямителем 61 напряжение подается на конденсаторную батарею. Таким образом реактивная энергия коммутации из реактора возвращается в накопительную конденсаторную батарею.The circuit includes recuperative converters that return switching energy to a
В общем случае при регулировании трехфазного трехуровневого инвертора (включая возможность нескольких переключений одного и того же вентиля за полупериод) в зависимости от знака формируемых на выходе напряжений возможны следующие виды коммутации:In general, when regulating a three-phase three-level inverter (including the possibility of several switching of the same valve in a half-cycle), depending on the sign of the voltage generated at the output, the following types of switching are possible:
• U>0, i>0 (где U - напряжение фазы инвертора, i - ток фазы инвертора): от транзисторов вентиля 14 к диодам 24 и обратно при включенных транзисторах 15;• U> 0, i> 0 (where U is the inverter phase voltage, i is the inverter phase current): from the transistors of the
• U<0, i<0: от транзисторов вентиля 17 к диодам 25 и обратно при включенных транзисторах 16 (коммутационные процессы протекают аналогично предыдущему пункту в силу симметрии схемы);• U <0, i <0: from the transistors of the
• U>0, i<0: от обратных диодов вентилей 14 и 15 к транзисторам 16 и диодам 25 и обратно.• U> 0, i <0: from the return diodes of the
• U<0, i>0: от обратных диодов вентилей 16 и 17 к транзисторам 15 и диодам 24 и обратно(при коммутации процессы протекают аналогично предыдущему пункту в силу симметрии схемы);• U <0, i> 0: from reverse diodes of
Таким образом из представленных восьми типов коммутации (включая обратные коммутации) принципиально можно выделить четыре типа:Thus, of the eight types of switching (including reverse switching), four types can be distinguished in principle:
1) от наружного (верхнего) управляемого вентиля к шунтирующему диоду того же плеча инвертора;1) from the external (upper) controlled valve to the shunt diode of the same inverter arm;
2) наоборот, от шунтирующего диода к управляемому вентилю;2) on the contrary, from a shunt diode to a controlled valve;
3) от обратных диодов вентилей одного плеча к внутреннему управляемому вентилю и шунтирующему диоду другого плеча той же фазы;3) from the return diodes of the valves of one arm to the internal controlled valve and the shunt diode of the other arm of the same phase;
4) наоборот, от управляемого вентиля и шунтирующего диода к обратным диодам.4) on the contrary, from a controlled valve and a shunt diode to reverse diodes.
Рассмотрим процессы, протекающие при различных типах коммутации при наличии в схеме коммутирующих цепей,Consider the processes that occur with various types of switching in the presence of switching circuits in the circuit,
1) Коммутация первого типа, например, при коммутации тока от управляемого вентиля 14 к шунтирующему диоду 24 осуществляется в два этапа.1) Switching of the first type, for example, when switching current from a controlled
В предкоммутационном состоянии ток проводят коммутирующий реактор 26, управляемые вентили 14, 15, реактор 27. Конденсатор 18 разряжен, а конденсатор 19 заряжен до уровня напряжения в звене постоянного тока Ud - напряжения между шинами постоянного тока 29 и 35 (с точностью до напряжений в блоках рекуперации энергии).In the pre-switching state, the current is carried out by a switching
Коммутация начинается запиранием управляемого вентиля 14. Отпираются коммутирующие диоды 36 и 37 и происходит плавный перезаряд конденсаторов 18 и 19, при этом конденсатор 18 заряжается по цепи 26-36-18-37-27- (другая фаза)-(звено постоянного тока 6-5)-26, а конденсатор 19 перезаряжается по цепи 42-19-40-37-27-(другая фаза)-(звено постоянного тока 5-6)-42. По окончании первого этапа коммутации конденсаторы 18 и 19 перезаряжаются до одинакового уровня напряжения, равного половине от Ud (с точностью до напряжений 40...42) и отпирается шунтирующий диод 24.Switching starts by locking the controlled
На втором этапе коммутации ток через шунтирующий диод плавно нарастает, а ток через реактор 26 и диод 36 плавно спадает, вызывая дальнейший перезаряд конденсаторов 18 и 19 (на величину, соответствующую напряжениям на 40...42). При достижении током через реактор 26 и диоды 36 нулевого значения, диоды 36 запираются, а процесс коммутации заканчивается.At the second stage of switching, the current through the shunt diode gradually increases, and the current through the
2) Коммутация второго типа, например, при коммутации тока от шунтирующего диода 24 к управляемому вентилю 14 осуществляется в три этапа.2) Switching of the second type, for example, when switching current from the
В предкоммутационном состоянии ток проводят шунтирующие диоды 24, управляемый вентиль 15, реактор 27. Конденсаторы 18 и 19 заряжены до одинакового уровня напряжения (с точностью до напряжений в блоках рекуперации энергии 40...42).In the pre-switching state, current is carried out by
Коммутация начинается отпиранием управляемого вентиля 14. Ток через шунтирующие диоды 24 плавно спадает, а через 14 нарастает со скоростью, ограниченной индуктивностью коммутирующих реакторов 26 и 27. Первый этап коммутации заканчивается, когда ток через диоды 24 спадает до нуля.Switching begins by unlocking the controlled
На втором этапе коммутации происходит перезаряд конденсаторных батарей 18 и 19 (18 разряжается до нуля по контуру цепи 18-40-26-14-15-27-31-38-41-18, а 19 заряжается до полного напряжения в звене постоянного тока по контуру 19-42-(звено постоянного тока 6-5)-26-14-15-27-31-38-19). Второй этап заканчивается, когда напряжение на 18 становится равным нулю.At the second stage of switching,
На третьем этапе открываются коммутирующие диоды 36, 37 и «лишний» ток, возникающий в 26, 27, 31 из-за перезаряда 18, 19, спадает до номинального значения через блоки рекуперации 40 и 41 соответственно, после чего коммутирующие диоды запираются и коммутация заканчивается.At the third stage, the switching
3) Рассмотрим процессы при коммутации третьего типа, например от обратных диодов вентилей 14, 15 к управляемому вентилю 16 и шунтирующему диоду 25. Коммутация третьего типа осуществляется в два этапа.3) Consider the processes of switching the third type, for example, from the return diodes of the
В предкоммутационном состоянии ток проводят реактор 27, обратные диоды вентилей 14, 15, реактор 26. Конденсаторная батарея 18 разряжена до нуля, а 19 заряжена до полного напряжения Ud (с точностью до напряжений в блоках рекуперации энергии 40...42).In the pre-switching state, the current is conducted by the
Коммутация начинается отпиранием вентиля 16: ток через него начинает плавно нарастать, а через диоды 14, 15 плавно спадать. Одновременно происходит плавный перезаряд конденсаторных батарей 18, 19: 18 заряжается по цепи 18-37-27-(другая фаза)-(звено постоянного тока 6-5)-26-36-18, а 19 разряжается по цепи 19-41-37-27-(другая фаза)-(звено постоянного тока 5-6)-42-19. По окончании первого этапа коммутации конденсаторы 18 и 19 перезаряжаются до одинакового уровня напряжения, равного половине Ud (с точностью до напряжений в блоках рекуперации энергии 40...42). Основной ток (нагрузки) протекает по цепи 31-16-25, к которому прибавляется ток перезаряда 18, 19.Switching begins by unlocking valve 16: the current through it begins to increase smoothly, and through
На втором этапе коммутации открывается коммутирующий диод 38 и сверхтоки через реакторы 26, 27, 31, вызванные перезарядом 18, 19, спадают через блоки рекуперации 40, 41 соответственно. По окончании второго этапа токи через реакторы 26 и 27 становятся равными нулю, а через 31 - номинальным, коммутирующие диоды 36...38 запираются и коммутация заканчивается.At the second stage of switching, a switching
4) Рассмотрим процессы при коммутации четвертого типа, например, от управляемого вентиля 16 и шунтирующего диода к обратным диодам вентилей 14, 15. Коммутация четвертого типа осуществляется в два этапа.4) Consider the processes of switching the fourth type, for example, from a controlled
В предкоммутационном состоянии ток проводят реактор 31, управляемый вентиль 16 и шунтирующие диоды 25. Конденсаторные батареи 18, 19 заряжены до одинакового уровня напряжения, равного половине от Ud (с точностью до напряжений в блоках рекуперации энергии 40...42).In the pre-switching state, the current is conducted by the
Коммутация начинается запиранием управляемого вентиля 16. Протекание тока через 16 и 25 прекращается; отпирается коммутирующий диод 38 и начинается плавный перезаряд конденсаторных батарей 18 и 19: 18 разряжается по цепи 18-40-(звено постоянного тока 5-6)-(нагрузка)-31-38-41-18, а 19 заряжается по цепи 19-42-(звено постоянного тока 6-5)-(нагрузка)-31-38-19. Первый этап заканчивается, когда напряжение на 18 становится равным нулю, а 19 - равным половине напряжения Ud.Switching begins by locking the controlled
На втором этапе коммутации отпираются обратные диоды 14, 15, через которые начинает протекать ток нагрузки. Одновременно с диодами 14, 15 открываются коммутирующие диоды 36, 37; через 37 плавно спадает ток реактора 31 (по цепи 31-38-41-37-27-31), вызванный перезарядом 18, 19, а через 36 протекает разностный ток вентилей 14, 15 и плавно нарастает ток реактора 26. По окончании второго этапа ток через 31 становится равным нулю, через 26 - номинальным, коммутирующие диоды 36...38 запираются и коммутация заканчивается. Ток нагрузки по окончании коммутации протекает по цепи 27-15-14-26-(звено постоянного тока 5-6)-(нагрузка)-27.At the second stage of switching, the
Во всех четырех типах коммутаций скорость изменения напряжения на конденсаторных батареях 18, 19 определяется величиной их емкости и значением тока нагрузки. Скорость изменения напряжения на вентилях 14...17 при их запирании равна скорости изменения напряжения на конденсаторах 18, 19. Таким образом, в ситуации, когда один из последовательно соединенных полупроводниковых приборов вентиля запирается раньше других (в силу имеющихся разбросов задержек выключения самих приборов и каналов управления), напряжение на ней нарастает плавно и к моменту отпирания остальных приборов не превышает максимально допустимого значения. Дополнительный эффект заключается в снижении динамических потерь в полупроводниковых приборах.In all four types of switching, the rate of change of voltage on the
В качестве примера работы заявляемой коммутирующей цепочки на фиг.4 приведены осциллограммы напряжений на трех последовательно соединенных IGCT-тиристорах (4500 В, 4000 А) при задержке выключения двух из них на 1 мкс. Разброс напряжений на приборах в закрытом состоянии составил при этом около 600 В, что является приемлемым с учетом рекомендуемых производителями полупроводниковых приборов запасов по напряжению.As an example of the operation of the inventive switching circuit, Fig. 4 shows the voltage waveforms of three series-connected IGCT thyristors (4500 V, 4000 A) with a delay of two of them being turned off by 1 μs. The voltage spread on the devices in the closed state was about 600 V, which is acceptable taking into account the voltage reserves recommended by the manufacturers of semiconductor devices.
Осциллограммы, изображенные на фиг.5, поясняют работу преобразователя в целом. Базовый трехфазный мостовой инвертор формирует основу U3 выходного напряжения преобразователя с низкой частотой переключения (в примере это частота сети - 50 Гц). Оставшаяся разница напряжений формируется однофазными мостовыми инверторами. Управление каждым из однофазных мостовых инверторов осуществляется с фазовым сдвигом относительно друг друга, за счет чего увеличивается результирующая частота пульсаций выходного напряжения. В примере частота переключения силовых ключей в каждом из мостов составляет 267 Гц, а результирующая частота модуляции 800 Гц.The oscillograms shown in figure 5, explain the operation of the Converter as a whole. The basic three-phase bridge inverter forms the basis of the U3 output voltage of the converter with a low switching frequency (in the example, this is the network frequency - 50 Hz). The remaining voltage difference is formed by single-phase bridge inverters. Each of the single-phase bridge inverters is controlled with a phase shift relative to each other, due to which the resulting ripple frequency of the output voltage increases. In the example, the switching frequency of the power switches in each of the bridges is 267 Hz, and the resulting modulation frequency is 800 Hz.
На фиг.5 приняты следующие обозначения:In figure 5, the following notation:
REF0 - сигнал задания,REF0 - reference signal,
US - напряжение фазы трехуровневого трехфазного мостового инвертора,US is the phase voltage of a three-level three-phase bridge inverter,
V3 - задание для последовательно соединенных мостовых инверторов фазы, равное разности задания на фазу и напряжения на фазе трехфазного инвертора,V3 - reference for series-connected bridge phase inverters, equal to the difference between the phase reference and the voltage on the phase of the three-phase inverter,
U3 - результирующее напряжение преобразователя.U3 is the resulting voltage of the converter.
Источники информацииInformation sources
1. STATCOM Based on Multimodules of Multilevel Converters Under Multiple Regulation Feedback Control Yiqiang Chen and Boon-Teck OoiDEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL.14, №5, SEPTEMBER 1999.1. STATCOM Based on Multimodules of Multilevel Converters Under Multiple Regulation Feedback Feedback Yiqiang Chen and Boon-Teck OoiDEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 14, No. 5, SEPTEMBER 1999.
2. Патент США US 6621719 B2 (Sep.16, 2003) Converter with additional voltage addition or subtraction at the output STEIMER PETER (CH); VEENSTRA MARTIN (CH).2. US patent US 6621719 B2 (Sep.16, 2003) Converter with additional voltage addition or subtraction at the output STEIMER PETER (CH); VEENSTRA MARTIN (CH).
3. Мустафа Г.М., Барегамян Г В., Рудицкий Р.Ш., Курпина Е.В.: Снижение динамических потерь транзисторов инвертора путем изменения скорости нарастания тока конденсаторов. Авторское свидетельство №989711 (15.01.83), УДК 621.314.57 (088.8).3. Mustafa G.M., Baregamyan G.V., Ruditsky R.Sh., Kurpina E.V .: Reducing the dynamic losses of inverter transistors by changing the slew rate of capacitors. Copyright certificate No. 989711 (01.15.83), UDC 621.314.57 (088.8).
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004122340/09A RU2269196C1 (en) | 2004-07-20 | 2004-07-20 | Voltage converter built around combined circuit arrangement |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004122340/09A RU2269196C1 (en) | 2004-07-20 | 2004-07-20 | Voltage converter built around combined circuit arrangement |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2269196C1 true RU2269196C1 (en) | 2006-01-27 |
Family
ID=36047974
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004122340/09A RU2269196C1 (en) | 2004-07-20 | 2004-07-20 | Voltage converter built around combined circuit arrangement |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2269196C1 (en) |
Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8570779B2 (en) | 2007-03-13 | 2013-10-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Method for limiting damage to a converter having power semiconductors in the case of a short circuit in the DC voltage intermediate circuit |
RU2573825C2 (en) * | 2011-11-18 | 2016-01-27 | Мейденша Корпорейшн | Multilevel power converter with fixed neutral point |
RU2584876C2 (en) * | 2012-07-16 | 2016-05-20 | Делта Электроникс, Инк. | Multistage voltage converter (versions) |
RU2588257C1 (en) * | 2015-03-20 | 2016-06-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" | Method of balance of voltages on capacitors of single-phase three-level converter with locking diodes |
RU2593393C1 (en) * | 2014-04-03 | 2016-08-10 | Шнейдер Тосиба Инвертер Юроп Сас | Multilevel power converter |
RU2600316C2 (en) * | 2011-09-08 | 2016-10-20 | Абб Текнолоджи Аг | Multilevel converter and method of controlling operation of multilevel converter |
RU2614051C1 (en) * | 2013-06-25 | 2017-03-22 | Мейденша Корпорейшн | Multilevel power converter |
RU2629005C2 (en) * | 2013-06-27 | 2017-08-24 | Сименс Акциенгезелльшафт | Converter unit with parallelly included multistage semiconductor converters and their control method |
RU2629009C2 (en) * | 2016-02-16 | 2017-08-24 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Alternate current variable speed drive |
RU177680U1 (en) * | 2017-09-15 | 2018-03-06 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") | Multifunction Pulse Converter |
RU2663822C2 (en) * | 2014-05-13 | 2018-08-10 | Шнейдер Тосиба Инвертер Юроп Сас | Multilevel power converter |
RU2669786C1 (en) * | 2015-02-09 | 2018-10-16 | Сименс Акциенгезелльшафт | Traction power supply device and method of operation of the device |
EP3846327A1 (en) | 2019-12-31 | 2021-07-07 | ABB Schweiz AG | Method for operating a power electronic converter device with floating cells |
WO2021136677A1 (en) | 2019-12-31 | 2021-07-08 | Abb Schweiz Ag | Method for operating a power electronic converter device with floating cells |
-
2004
- 2004-07-20 RU RU2004122340/09A patent/RU2269196C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8570779B2 (en) | 2007-03-13 | 2013-10-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Method for limiting damage to a converter having power semiconductors in the case of a short circuit in the DC voltage intermediate circuit |
RU2600316C2 (en) * | 2011-09-08 | 2016-10-20 | Абб Текнолоджи Аг | Multilevel converter and method of controlling operation of multilevel converter |
RU2573825C2 (en) * | 2011-11-18 | 2016-01-27 | Мейденша Корпорейшн | Multilevel power converter with fixed neutral point |
RU2584876C2 (en) * | 2012-07-16 | 2016-05-20 | Делта Электроникс, Инк. | Multistage voltage converter (versions) |
RU2584876C9 (en) * | 2012-07-16 | 2017-03-20 | Делта Электроникс, Инк. | Multistage voltage converter (versions) |
RU2614051C1 (en) * | 2013-06-25 | 2017-03-22 | Мейденша Корпорейшн | Multilevel power converter |
RU2629005C2 (en) * | 2013-06-27 | 2017-08-24 | Сименс Акциенгезелльшафт | Converter unit with parallelly included multistage semiconductor converters and their control method |
RU2593393C1 (en) * | 2014-04-03 | 2016-08-10 | Шнейдер Тосиба Инвертер Юроп Сас | Multilevel power converter |
RU2663822C2 (en) * | 2014-05-13 | 2018-08-10 | Шнейдер Тосиба Инвертер Юроп Сас | Multilevel power converter |
RU2669786C1 (en) * | 2015-02-09 | 2018-10-16 | Сименс Акциенгезелльшафт | Traction power supply device and method of operation of the device |
RU2588257C1 (en) * | 2015-03-20 | 2016-06-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" | Method of balance of voltages on capacitors of single-phase three-level converter with locking diodes |
RU2629009C2 (en) * | 2016-02-16 | 2017-08-24 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Alternate current variable speed drive |
RU177680U1 (en) * | 2017-09-15 | 2018-03-06 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") | Multifunction Pulse Converter |
EP3846327A1 (en) | 2019-12-31 | 2021-07-07 | ABB Schweiz AG | Method for operating a power electronic converter device with floating cells |
WO2021136666A1 (en) | 2019-12-31 | 2021-07-08 | Abb Schweiz Ag | Method for operating a power electronic converter device with floating cells |
WO2021136677A1 (en) | 2019-12-31 | 2021-07-08 | Abb Schweiz Ag | Method for operating a power electronic converter device with floating cells |
US11979094B2 (en) | 2019-12-31 | 2024-05-07 | Abb Schweiz Ag | Method for operating a power electronic converter device with floating cells |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Vemuganti et al. | A survey on reduced switch count multilevel inverters | |
Barzegarkhoo et al. | Generalized structure for a single phase switched-capacitor multilevel inverter using a new multiple DC link producer with reduced number of switches | |
US9325252B2 (en) | Multilevel converter systems and sinusoidal pulse width modulation methods | |
Oates | A methodology for developing ‘Chainlink’converters | |
RU2269196C1 (en) | Voltage converter built around combined circuit arrangement | |
Xu et al. | Active capacitor voltage control of flying capacitor multilevel converters | |
WO2015144644A1 (en) | Voltage source converter and control thereof | |
EP2816718B1 (en) | Multilevel power converter | |
WO2005055408A1 (en) | Multilevel converter based intelligent universal transformer | |
WO2014005634A1 (en) | Three-level submodule for a voltage source converter | |
WO2019238443A1 (en) | Voltage source converter generating at least two pulse trains using at least three voltage levels | |
KR101297320B1 (en) | Single phase full-bridge inverter for providing enhanced power quality | |
Mersche et al. | Quasi-two-level flying-capacitor-converter for medium voltage grid applications | |
JP4643117B2 (en) | Multi-cell energy converter | |
CN112689946A (en) | Voltage source converter using two voltage levels to generate pulse trains | |
CN111541370A (en) | Flexible direct current transmission DC/DC converter for true and false bipolar interconnection | |
Kou et al. | DC-link capacitor voltage balancing technique for phase-shifted PWM-based seven-switch five-level ANPC inverter | |
Yalla et al. | A new three-phase multipoint clamped 5L-HPFC with reduced PSD count and switch stress | |
JP2020171163A (en) | Power conversion device and power supply device | |
Salari et al. | A novel nine-level boost inverter with reduced structure and simple DC link capacitor control | |
Taghvaie et al. | A new step-up voltage balancing circuit for neutral-point-clamped multilevel inverter | |
CN111525540B (en) | Hybrid modular direct current power flow controller and control method thereof | |
Salehahari et al. | A new structure of multilevel inverters based on coupled inductors to increase the output current | |
CN113258804A (en) | Five-level photovoltaic inverter capable of reducing number of switching tubes and modulation method thereof | |
Jin et al. | Analysis and control of a hybrid-clamped four-level π-type converter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140721 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20170912 |
|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20191230 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200721 |