CC BY
107
ЕРМАКОВ КОНСТАНТИН ИГОРЕВИЧ - аспирант кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (ermakov@bresler.ru).
ERMAKOV KONSTANTIN IGOREVICH - post-graduate student of Industrial Enterprises Electric Power Supply Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
УДК 621.372.632
И.И. ИВАНЧИН
АЛГОРИТМ КОММУТАЦИИ СИЛОВЫХ ПРИБОРОВ В МНОГОУРОВНЕВОМ ИНВЕРТОРЕ НАПРЯЖЕНИЯ
Ключевые слова: коммутационная функция, динамические потери в силовых полупроводниковых приборах, избыточные состояния инвертора.
Рассмотрены различные методы формирования коммутационных функций в многоуровневом инверторе напряжения. Исследовано их влияние на изменение напряжения в звене постоянного тока отдельных силовых ячеек. Предложен способ распределения коммутаций, не зависящий от метода модуляции напряжения.
I.I. IVANCHIN
SWITCHING STATES DISTRIBUTION IN MULTI-LEVEL CONVERTOR
Key words: switching function, switching losses in power semiconductor devices, redundant convertor states.
Various methods of forming switching functions in multi-level convertor is considered. Studied their effect on the change in DC link voltage of individual H-bridges.
A method for the distribution of switching function independent of the modulation voltage is proposed.
Электроприводы переменного тока на напряжения 6-10 кВ в настоящее время находят всё более широкое применение в общепромышленных механизмах. Наиболее массово они используются в насосах, вентиляторах, транспортных системах, технологических агрегатах непрерывного действия при мощностях от сотен кВт до десятков МВт. Задачу управления приводными двигателями чаще всего выполняют автономные инверторы напряжения (АИН), способные сформировать требуемый вектор напряжения. При этом необходимо оптимизировать алгоритм коммутаций силовых приборов в зависимости от схемы построения АИН.
Одной из общеизвестных схем АИН является мостовая схема, приведённая на рис. 1, а. В зависимости от сигнала управления силовыми ключами VT1-VT6 линейное выходное напряжение в любой момент времени равно напряжению звена постоянного тока либо нулю. Требуемый вектор выходного напряжения АИН в неподвижной ортогональной системе координат (a, b) определяется как
где (eAa-, eAb), (eBa
ориентации оси
1 л/3^
ua " = 2 a Cj e a oq e a A \ua I Ub Uc і
.ub _ = 3 _I b A e b A e b A
(eCa, eCb) - компоненты направляющих ортов фаз А, В, С. При
( 1 Я}
2, 2
фазы А по оси a получим: eTA = (1,0),
A
eB =
2
Так как фазные напряжения имеют дискретный характер, вектор
выходного напряжения может принимать семь значении, одно из которых нулевое. Причём нулевому вектору соответствуют две комбинации состояния ключей: замк-
=
C
нуты либо все три верхних ключа, либо все нижние. Следовательно, по отношению к напряжению на нагрузке инвертора одно из этих состояний избыточно.
УБ1
УБ2
УБ3
УБ4
УБ5
УБб
-Л нкз
УТ1 V-1 УТ3 УТ5
С1
НКЗ НКЗ но
УТ2 | УТ4 р УТб I
Рис. 1. Схемы инверторов напряжения: а - трехфазный мостовой инвертор напряжения; б - многоуровневый инвертор напряжения; в - базовые вектор выходного напряжения в ортогональных осях
а
в
В последнее время в электроприводах переменного тока на напряжения 6-10 кВ большее распространение получили многоуровневые схемы инверторов напряжения (рис. 1, б). В состав многоуровневого АИН входит многообмоточный трансформатор и последовательно подключенные однотипные силовые ячейки (Аь ..., Ат; Вь ..., Вт; Сь ..., Ст). Силовая ячейка представляет собой однофазные мостовой инвертор, питаемый от «своей» вторичной обмотки трансформатора. В многоуровневых инверторах напряжения количество избыточных состояний зависит от числа уровней и определяется по формуле [2]:
пш = И3 - 3п(п - 1) + 1, где п3 - общее количество состояний силовых ячеек в трехфазном инверторе; 3п(п - 1) + 1 - число возможных базовых векторов напряжения для схемы п уровнями напряжения (рис. 1, в).
Существуют два различных способа получения эквивалентного напряжение на выходе инвертора при разных состояниях силовых ключей. Первый - смещением общей точки инвертора. Это достигается изменением напряжения во всех фазах на один и тот же уровень, в этом случае линейное напряжение между фазами остается
неизменным, как и напряжение на нагрузке. При этом ток, протекающий в нагрузке, протекает и в конденсаторах звена постоянного тока тех силовых ячеек, которые формируют напряжение. Заряд конденсатора либо его разряд зависит от взаимной полярности тока и напряжения. Это позволяет управлять напряжением в звене постоянного тока и поддерживать его уровень без использования выпрямителя.
Данное свойство позволяет уменьшить количество вторичных обмоток трансформатора. В подобных схемах выборка избыточных состояний должна обеспечивать поддержание значения напряжения в силовых ячейках, которые не питаются от сети [2].
Вторая группа избыточных состояний - состояния, обусловленные равнозначностью силовых ячеек внутри одной фазы. В схеме с т силовыми ячейками на выходе фазы можно получить 2т + 1 уровней напряжения, при этом число возможных состояний силовых ячеек 2(т - 1)т + 3. Таким образом, для формирования одного того же уровня напряжения на фазе инвертора возможно использовать различные комбинации включения силовых ячеек. Это позволяет производить выбор избыточных состояний исходя из распределения токовой нагрузки на вторичных обмотках трансформатора либо распределения нагрузки на конденсаторы звена постоянного тока силовых ячеек. Возможны также алгоритмы выбора исходя из распределения динамической нагрузки силовых приборов либо уменьшения частоты коммутации силовых приборов.
Напряжение на выходе инвертора складывается из последовательно подключаемых напряжений на конденсаторах силовых ячеек. Это приводит к тому, что изменение напряжения на конденсаторах влияет на форму выходного напряжения инвертора. Следовательно, методом выборки избыточных состояний можно влиять и на гармонический состав выходного напряжения.
В итоге алгоритм выборки избыточных состояний в многоуровневом инверторе предполагает большое разнообразие. Он может определяться исходя из следующих требований: равномерное распределение нагрузки на трансформатор; управление значением напряжения в звене постоянного тока; равномерное распределение динамических потерь в силовых приборах; уменьшение их частоты коммутаций; улучшение гармонического состава выходного напряжения; распределение тока заряда конденсаторов в схемах с уменьшенным количеством выпрямителей.
Первое из этих требований выполняется при равномерном распределении потребляемой мощности силовыми ячейками от вторичных обмоток трансформатора. Равномерность распределения по фазам обеспечивается одинаковым алгоритмом выборки для всех фаз. С учетом этого данное требование обеспечивается выборкой избыточных состояний, относящихся ко второй группе. При одинаковом выходном напряжении вторичных обмоток мощность определяется потребляемым током, который, в свою очередь, зависит от падения напряжения в звене постоянного тока. Следовательно, два этих требования взаимосвязаны.
Падение напряжения в звене постоянного тока силовых ячеек зависит от тока нагрузки инвертора (рис. 2, а). При совпадении значений полярности выходного напряжения и тока силовой ячейки происходит уменьшение значения напряжения на конденсаторе, при несовпадении знаков - конденсатор заряжается. Увеличение тока в нагрузке приводит к большим колебаниям напряжения.
Если равномерно распределять ток нагрузки по силовым ячейкам фазы, можно достичь равномерного распределения динамических потерь в силовых приборах и уменьшения частоты их коммутаций, т.е. выполнить третье и четвертое требования. В этом случае заряд на конденсаторах силовых ячеек одной фазы будет изменяться синфазно и на эквивалентное значение (рис. 2, б). Это позволяет производить компенсацию колебаний значений напряжения, изменяя пропорционально скважность широтно-модулированного сигнала, и выполнить пятое требование.
Шестое требование для рассматриваемой схемы неактуально, так как каждая силовая ячейки использует свои вторичные обмотки многообмоточного трансформатора. Кроме того, можно заметить, что использование избыточных состояний первой группы, т.е. смещение общей точки инвертора, приводит также к смещению общей точки обмоток двигателя. Это увеличивает токи утечек двигателя, что ведет за собой дополнительный износ изоляции обмоток и подшипников.
UBc(i), о.е.
Рис. 2. Зависимость колебаний напряжения в звене постоянного тока силовой ячейки: а - от тока в нагрузке г1 < 12 < г3 < г4 < г5; б - от номера силовой ячейки в фазе
Таким образом, можно сделать вывод, что пять из шести перечисленных выше требований взаимосвязаны и определяются равномерной нагрузкой силовых ячеек инвертора по фазам.
Широкое распространение получил алгоритм коммутаций в многоуровневом инверторе по силовым ячейкам, показанный на рис. 3 [4]. На нем приведен пример для схемы с тремя силовыми ячейками в фазе (т = 3). Напряжение на выходе инвертора предлагается формировать по фазам, независимо от задания в других фазах. Для каждой ячейки формируется свой пилообразный несущий сигнал, который сравнивается с напряжением задания. Пилообразные сигналы смещены относительно друг друга на равные промежутки времени. В итоге частота модуляции напряжения на выходе инвертора в т раз превышает частоту пилообразного несущего сигнала широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для отдельной силовой ячейки. При этом токовая нагрузка и динамические потери в силовых приборах инвертора распределяются равномерно. Удобство данной схемы заключается в том, что при аварийном шунтировании одной или нескольких силовых ячеек в фазе инвертора достаточно убрать соответствующие несущие пилообразные сигналы. Оставшиеся несущие нужно перераспределить так, чтобы между ними организовались равные промежутки времени. В этом случае нет необходимости дальнейшего изменения способа распределения. Необходимо лишь учитывать, что уменьшается значение максимального напряжения, которое данная фаза инвертора в состоянии сформировать. В некоторой степени данное ограничение возможно скомпенсировать смещением общей точки инвертора. Это достигается изменением напряжения задания в фазах инвертора по углу и амплитуде. Подобный метод используется в высоковольтных преобразователях семейства ROBICON Perfect Harmony фирмы Siemens.
Опорный Шлшф^зный одгнал, Пилообразный сигнал,
/ пилообразный сигнал/смещенный на 60° /смещенный на 120°
шшгшлппм^^_______________________________________
Рис. 3. Формирование выходного напряжения Perfect Harmony
1 —■— SVM * PWM _
— — PWM3
|| 11 1
1 \ 1 1 \ l 1 i; \ L _ 1 н--.в
W /А
*
'”П^ _ и ►
1 I i i i
Ul/Udc
в
Рис. 4. Экспериментальные графики полученного линейного напряжения: а - трехфазный синусоидальный ШИМ; б - векторный ШИМ; в - коэффициент гармоник для различных методов ШИМ
A
2
3
A
а
Недостатком данного алгоритма является то, что он работает только при формировании напряжения методом трехфазной синусоидальной ШИМ. Для тех методов модуляции, когда форма выходного напряжения получается до распределения коммутаций, он не подходит. Примером может служить векторная ШИМ [1]. Также он не может использоваться при релейном алгоритме регулирования током нагрузки [3]. Возникает необходимость разделить этапы расчета желаемой формы напряжения на выходе инвертора и коммутационной функции силовых приборов инвертора. В итоге была предложена функциональная схема алгоритма выборки избыточных состояний
инвертора и формирования коммутационной функции, состоящая из следующих основных узлов. В блоке компенсации происходит коррекция напряжения задания для компенсирования изменения напряжения в звене постоянного тока силовых ячеек фазы. При равномерном распределении нагрузки для этого необходима информация о напряжении в звене постоянного тока одной силовой ячейки в фазе. Скорректированный сигнал подается в блок модуляции, где происходит вычисление формы выходного напряжения. Система в данном случае является универсальной и не зависит от метода модуляции напряжения. Затем блок распределения формирует коммутационную функцию фазы инвертора, выбирая комбинации состояния силовых ячеек из предварительно составленной таблицы. Коммутационная функция силовой ячейки непосредственно передается в них по оптоволокну.
Основное отличие данной схемы от представленных в литературе [2] схем состоит в том, что нет необходимости в информации о токах и напряжениях на входе и выходе инвертора. Равномерная нагрузка силовых ячеек достигается алгоритмом выборки избыточных состояний из составленной таблицы.
Предложенный алгоритм коммутаций был реализован в преобразователе частоты переменного тока на среднее напряжение 6 кВ по структуре, включающей в себя пять силовых ячеек в фазе. Экспериментальные графики при различных методах модуляции напряжения приведены на рис. 3, а и б. Зависимость гармонического состава выходного напряжения в зависимости от глубины модуляции при различных методах ШИМ показана на рис. 3, в. Можно заметить, что качество выходного напряжения существенно повышается при использовании векторной ШИМ (SVM) по сравнению с трехфазной синусоидальной ШИМ (PWM). На рис. 4, в также показано влияние добавления третьей гармоники напряжения при модуляции (PWM3). Улучшение гармонического состава получаемого напряжения при векторном ШИМ оправдывает применение предложенного алгоритма коммутаций. Единственным минусом данного алгоритма является его усложнение при необходимости шунтировать отдельные силовые ячейки. Но нужно заметить, что в существующих преобразователях частоты на среднее напряжение это является опцией. Кроме того, режим работы с зашунтиро-ванной ячейкой является нештатным и предполагает замену её на рабочую. Данная операция не представляется сложной при сохранении модульной структуры построения и равнозначности силовых ячеек.
Литература
1. Лазарев С.А., Иванчин И.И. Векторная и синусоидальная ШИМ в многоуровневом преобразователе напряжения // Региональная энергетика и электротехника: проблемы и решения: сб. науч. тр. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2010. Вып. VI. С. 179-189.
2. Corzine K.A. Operation and Design of Multilevel Inverters / University of Missouri-Rolla. Rolla, 2005.
3. Corzine K.A. A Hysteresis Current-Regulated Control for Multi-Level Drives // IEEE Transaction On Energy Conversion. 2000. Vol. 15, № 2. P. 169-175.
4. Patent 5625545 US, Int. Cl. H02M 7/515, U.S. Cl. 363/71. Medium voltage PWM drive and method / Inventor: P.W. Hammond; Assignee: Halmar Robinson Group. Appl. № 203803; Filed: Mar. 1, 1994. Data of patent: Apr. 29, 1997.
ИВАНЧИН ИВАН ИВАНОВИЧ - магистр техники и технологий, инженер-программист, ООО НПП «ЭКРА», Россия, Чебоксары (ivanchin_i@ekra.ru).
IVANCHIN IVAN IVANOVICH - master of engineering and technology, engineer-programmer, EKRA Ltd., Russia, Cheboksary.______________________________________________________
