Диссертация (Однофазные инверторы с многоячейковой структурой), страница 6

Но приэтом, обеспечение равномерного распределения нагрузки крайне затруднительно.В [84, 102] приведены различные структуры схем параллельного включения инверторов со следующими особенностями: Фаза инвертора формируется из ряда параллельно соединенных СПЯ,управляемых единым контроллером. Все силовые транзисторы пассивнозаперты собственным резистором затвора. Соединение АС– и DC–цепейвыполняется симметричным. Параллельное соединение инверторов со встроенными платами схемуправления. Разброс параметров силовых цепей приводит к необходимости объединения выходов инверторов через уравнительные дроссели. Параллельное соединение инверторных блоков, с общей DC–шиной, гдеинверторы имеют выделенную плату управления, которые работают отодного ШИМ–контроллера.

Из–за разброса временных характеристик цепей управления для объединения АС–выходов весьма вероятен ввод в силовую часть уравнительных индуктивностей. Параллельное соединение инверторов и единым ШИМ и дополнительным измерением распределения выходных токов инверторов, однако, этаидеология отличается достаточно сложной схемой управления. Подчиненное регулирование, которое обеспечивает высокую надежность,в котором плата управления имеет общий входной и несколько изолированных выходных каналов.

Каждый канал со своим инвертором. В этом45 случае уравнительные дроссели возможно исключить – выход из строяодного из инверторов не влияет на работу в целом. Полная гальваническая развязка по входу или выходу параллельно работающих инверторов с независимыми платами управления.Модульный принцип построения инверторных блоков широко используется многие годы в системах бесперебойного питания.Это позволяет при необходимости повысить мощность системы увеличения числа потребителей и необходимое резервирование системы по принципу«n + x». Равномерное распределение токов между модулями относится к однойи трудных задач и, в целом, обеспечивается согласованием выходных характеристик модулей: номинала напряжения и внутреннего сопротивления.Параллельномувключениюповыходуоднофазныхинверторовпосвящено большое число работ [42, 18, 20, 3, 25, 48, 89] и многиезарубежные производители наладили серийный выпуск трехфазных инверторовсмощностьюмодулейдонесколькихдесятковкиловатт,сиспользованием независимого принципа синхронизации системы от любогоизинверторов,полнозадачавключенныхразделениявнее.нагрузкиНатекущийинверторныхмоментблоковнаиболеерешенавпромышленных ИБП [115].

На Рисунке 2.4. показано применение параллельноговключенияинвертороввструктуреисточникабесперебойногопитания (ИБП).Число модулей, параллельно подключаемых к нагрузке, может достигать16 с информационной связью между модулями, как по цифровой шине,так и с комбинацией аналоговых и цифровых сигналов в шине. Приподключениирезервногомодуля,происходитидентификациямодуля,и при исправности системы, этот модуль подключается системой к нагрузкеипринимаетнасебяпропорциональнуючастьтоканагрузки.46При отказе одного модуля система отключает его шины нагрузки. Врезультатенеисправныйинверторотключаетсябезнарушенияработоспособности всей системы.Рисунок 2.4 – Параллельное включение блоков инверторов в ИБПНаиболее широко развито управление модулями по подчиненному принципу «ведущий-ведомый».

При этом способе управления отсутствует резервирование «ведущего» инвертора, синхронизирующего работу «ведомых» инверторов. Кроме того, требуется использование общего блока коммутации и равномерного распределения тока нагрузки. Все это снижет отказоустойчивостьсистемы в целом.Отличительным признаком многомодульной системы является избыточность, обеспечивающая повышенную надежность системы за счет:резервных силовых модулей,резервных батарейных модулей.47В ходе работы системы возможна «горячая замена модулей» (модули могут оперативно заменяться в ходе работы системы). Неисправность одного измодулей приводит к его автоматическому отключению, при этом работоспособность всей системы не нарушается. При установке нового модуля проводится самодиагностика его состояния и включение его в работу.Однако при нулевом сдвиге фаз инверторов в литературе отмечаютсяопределенные технические трудности в организации параллельной работы инверторов.Одна из наиболее важных задач организация параллельной работы инверторов состоит в обеспечении равномерного распределения токов между ячейками инверторов, они должны быть синхронизированы по всем параметрам(фазе, частоте и амплитуде).

Синхронизация должна быть рабочей в любых режимах (номинальном, переходном и аварийном).Равномерное распределение тока нагрузки по ячейкам инвертора зависитот сдвига фаз выходных напряжений, вызванных несинхронностью частотнапряжений, формируемых на выходах ячеек инвертора. Дисбаланс в 1 эл. градмежду фазами выходных напряжений двух ячеек ведет к перераспределениюмощности, которое может достигать свыше 50%. Если выходное напряжениеодной ячейки сдвигается вперед по фазе, то он принимает на себя большуючасть мощности общей нагрузки, что в случае одинаковых амплитуд выходногонапряжения будет свидетельствовать об увеличении потребляемого тока опережающей ячейки.

Для обеспечения баланса энергии двух ячеек, необходимоскорректировать частоту выходного напряжения ячейки с опережающей фазой.Этабалансировкадействием (0,1–1,0 Гц/с).должнапроисходитьсвысокимбыстро-482.2 Включение ячеек инвертора с суммированием тока с ненулевым фазовым сдвигомКак показано ранее, основная проблема при параллельном включении ячеек– неравномерное распределение токов между ячейками, вызванное разбросомвнутренних параметров инверторов, так, например, разные частоты выходныхнапряжений инвертора приводят к искажению формы напряжений в виде биений.

В литературе описаны решения, обеспечивающие параллельную работуинверторов в части синхронизации начальных фаз инвертора, амплитуд токов ичастоты напряжения [20, 89, 72]. Необходимо отметить, что описанные методырассматривают формирования напряжения на выходе инвертора с низким содержанием высших гармоник (приближенной к синусоидальной).При наличии фазового сдвига так же исходим из положения, что для высокой эффективности СПЯ работают в ключевом режиме, а для получения синусоидального напряжения используется LC–фильтр.

Для регулирования выходного напряжения используется методы ШИМ. При этом опорный сигнал берется единым, а пилообразный сигнал каждой ячейки с соответствующим фазовым сдвигом, таким образом, каждая ячейка работает со своей фазой ШИМсигналов.На Рисунке 2.5 приведена эквивалентная схема для этого случая. За счетфазового сдвига управляющего напряжения получается ШИМ регулированиекаждой ячейки.49I sinI sin(+ )I sin(+ 2)I sin(+ )RнРисунок 2.5 – Схема многоячейкового инвертора суммированием токаячеек и ненулевом фазовом сдвигеПринцип формирования заключается в следующем: последовательностьвыходных импульсов каждой СПЯ формируется на основе единого опорногосинусоидального сигнала и пилообразного напряжения с собственным фазовымсдвигом каждой ячейки, Рисунок 2.6.1y ( x) 0.5o1( x)0o2( x) 0.510246xРисунок 2.6 – Входные сигналы модулятора при едином опорном сигнале ипилообразного напряжения с равномерным сдвигом50На Рисунке 2.7 приведены напряжения для двух последовательных СПЯ,а на Рисунке 2.8 суммарное выходное напряжение силовых каскадов ячеек.Увеличивая число пилообразных сигналов и число ячеек можно добитьсязначительного снижения частоты коммутации транзисторов с относительно высокой частотой формирования фронтов выходного напряжения.

Однако при таком управлении возникают токи, протекающие в обход нагрузки, что значительно снижаем эффективность передачи мощности в нагрузку. Чтобы показатьэто, рассмотрим возникающие при таком управлении контуры тока.1pwm1 ( x) 01024646x1pwm2 ( x) 0102xРисунок 2.7 – Формирование моментов переключения транзисторов каждойячейкиРисунок 2.8 – Форма напряжения на входе силового фильтра512.3 Анализ контуров протекания тока при равномерном сдвиге фаз ячеек инвертора по схеме суммирования токовВ [8, 30, 66, 69] приведены различные схемотехнические варианты построения СПЯ.

Анализ литературы позволяет сделать вывод о том, что наиболее функционально пригодной структурой при минимуме коммутирующихэлементов является полумостовая СПЯ.Принципиальная схема многоячейкового инвертора с параллельным подключением полумостовых СПЯ к источнику постоянного напряжения изображена на Рисунке 2.9. Рассмотрим возможность применения фазового сдвигаячеек инвертора для формирования аппроксимированного синусоидальноговыходного напряжения.

Отличием от традиционной схемы параллельноговключения инверторов является синхронизированный сдвиг начальной фазыячеек инвертора.СПЯ 1СПЯ 2СПЯ 3L1L2UпL3RнРисунок 2.9 – Схема моделируемого инвертора с трехуровневым выходным напряжением52В соответствии с принципиальной схемой разработана компьютернаямодель для изучения процессов протекающих в инверторе.

В качестве примеравзят инвертор, состоящий из трех ячеек, формирующий трехуровневое напряжение, при равномерном фазовом сдвиге.Результаты моделирования представлены на Рисунке 2.11–2.13Полученныерезультатыпоказываютформувыходногонапряжения низкого качества и соответствующий спектральный состав. Однакоприрассмотренииграфиковраспределениятоковстановитсяочевидной проблема возникновения контуров протекания тока в обход нагрузки.V2S127VdcV23S3V25++S5V27++-++-----D1D3SD5S0S000V3927VdcS2V24S4V26++-D2-SS6V28++D4-S0++D6S00L110mHL210mHCout10uL310mHRout10V0Рисунок 2.10 – Схема модели трехуровневого инвертора напряжения при параллельном подключении ячеек53Рисунок 2.11 – Форма выходного напряжения инвертораРисунок 2.12 – Спектральный состав выходного напряжения инвертора54Рисунок 2.13 – Выходной ток инвертора и распределение токов между ячейкамиРассмотрим коммутацию ключей с пересечением включения верхних инижних ключей ячеек инвертора на предмет возникновения токов, протекающих в обход нагрузки.55СПЯ 1СПЯ 2СПЯ 3I3I1L1L2UпL3RнСПЯ 1СПЯ 2СПЯ 3I3I2L1UпL2L3RнРисунок 2.14 – Возникновение контуров протекания токов в обход нагрузки при перекрестной коммутации нижних и верхних ключей ячеек инвертораИз приведенных схем протекания токов, видно, что контуры протеканиятоков в обход нагрузки могут возникать в схеме при включении одновременнолюбой комбинации верхних и нижних ключей инвертора.