Диссертация (Однофазные инверторы с многоячейковой структурой), страница 7

На Рисунке 2.14 токиобходного контура отмечены индексами I1, I2, I3. С увеличением сопротивления,токи обходного контура в разы превышают ток нагрузки.56Одним из возможных вариантов исключения токов обходного контураявляется внедрение дополнительной транзисторной стойки и дифференциацияработы нижних и верхних ключей ячеек инвертора.ДополнительнаястойкаЯчейка 1Ячейка 2Ячейка 3UпL1L2L3RнРисунок 2.15 – Структурная схема с дополнительной стойкойРисунок 2.16 – Схема модели трехуровневого напряжения инвертора с коммутациейотдельно верхних и нижних ключей57Результаты моделирования представлены на Рисунках 2.17, 2.18.Рисунок 2.17 – Форма выходного напряжения инвертора с дополнительной стойкойРисунок 2.18 – Спектральный состав выходного напряжения инвертора с дополнительной стойкойНедостатком данной схемы, Рисунок 2.17, является неполное распределение нагрузки между ячейками инвертора.

На Рисунке 2.19 изображено разделение тока нагрузки на активные в данный момент ячейки.58В случае равномерного сдвига фаз ячеек инвертора ток нагрузки на единичной ячейке инвертора может достигать полного тока нагрузки. Такая схемастановится неактуальной, несмотря на возможности формировать выходноеступенчатое напряжение.IнДополнительнаястойкаЯчейка 1 IН/2Ячейка 2Ячейка 3IН/2UпL1L2L3RнРисунок 2.19 – Протекание тока нагрузки через активные ячейки2.4 Трансформаторные схемы многоячейковых инверторовДля обеспечения разделения нагрузки по отдельным ячейкам и формирования ступенчатой формы выходного напряжения инвертора при параллельномподключении ячеек к источнику постоянного напряжения подходят трансформаторные схемы инверторов.

Трансформаторные схемы подробно рассмотреныв [30, 67, 29] имеют множество патентов и широкий спектр вариантов реализации.59В рамках решения поставленной задачи от использования трансформаторных схем предложено отказаться, ввиду повышенной массы и увеличенныхгабаритов устройства в сборе в сравнении с бестрансформаторными схемами.На Рисунке 2.21 представлен пример варианта реализации трансформатора длямногоячейкового инвертора.Расчет масс составных частей инвертора произведем из условия,что согласование уровня выходного напряжения и требуемая амплитудасигнала обеспечивается трансформатором. Также как и ранее, в расчетеучитываемуправляющаятолькотрактпреобразованиячастьвеситнезначительно;энергии,посколькусравнениеразличныхвариантов структур инверторов проводится при следующих условиях:мощности на выходе инверторов равны, качества входных напряженийинвертора одинаковы. В отличие от инвертора с двойным преобразованиемвес и габариты устройства зависят от веса и габаритов выходного фильтра, радиаторов и дроссель–трансформатора.Масса радиаторов зависит от тепла, выделяемого в силовых ключах конвертора и инвертора.Суммарная масса дроссель–трансформатора, состоящая из массы сердечника и обмоток, в основном определяется габаритной мощностью, посколькуперемагничивание определяется основной частотой и поэтому практически мало зависит от высших гармоник и вследствие малого коэффициента дополнительные потерь [91], поэтому потери в стали и в меди незначительны.

Величины, влияющие на массу (средняя длина витка площадь окна и др.) берутся для60СПЯ 1СПЯ 2СПЯ 3UпRнРисунок 2.20 – Пример трансформаторной схемы многоячейкового инвертораРисунок 2.21 – Пример трансформатора для многоячейкового инверторас суммированием токов СПЯ61расчета исходя из конкретной геометрии сердечника (Рисунок 2.21). Число витков обмоток дроссель–трансформатора, как и ранее определяется на основе закона Фарадея, после чего можно вычислить массу обмоток. С этой целью проводится расчет потерь в стали и меди, и площадь поверхности трансформатора.В случае меньшей, чем требует расчет, площади выбирается сердечник с большей габаритной мощностью.Масса и объем выходного фильтра инвертора прямо пропорциональныего резонансной частоте, следовательно, произведение емкости и индуктивности фильтра находятся по значению выходного напряжения, собственной частоте фильтра и выходной мощности инвертора.

Определение каждого изсомножителей в отдельности зависит от выполнения дополнительного требования, в качестве которого целесообразно выбирать минимум реактивной мощности элементов [9], поскольку на практике удельный вес дросселя существеннопревышает удельный вес конденсатора. Следовательно, если выполнить требование по минимуму весу фильтра, то это может привести к режиму разрывныхтоков дросселя, повышению размаха пульсаций тока относительно расчетныхи, значит, к снижению КПД устройства в целом [94].Масса радиаторов силовых полупроводниковых приборов зависит от режима работы инвертора.

Значения массы определялись по результатамИКМ (Рисунок 2.10, 2.16).Расчет массы теплоотвода проводим на основе энергетического расчета.По необходимой поверхности теплоотвода справочнику находим соответствующую массу радиатора.Как видно, масса инвертора, с суммированием токов СПЯ практическимало зависит от числа ячеек (Рисунок 2.22), это связано с тем, что большуючасть общей массы составляет дроссель–трансформатор, работающий на частоте сети и дроссель фильтра, спектральный состав напряжения, на входе которо-62го с ростом частоты коммутации ШИМ инверторов улучшается не столь значительно.Рисунок 2.22 – Зависимость массы инвертора с суммированием тока СПЯот числа ячеек63Выводы по 2 главеВо второй главе рассмотрены методы построения многоячейкового инвертора с суммированием токов СПЯ и получены следующие результаты:1.

Проведенный анализ существующих решений, показал, что для многоячейкового инвертора наиболее целесообразная схема построения –полумостовая схема СПЯ.2. Получено аналитическое выражение, показывающее, что, при параллельной работе СПЯ, максимальная мощность в нагрузку передаетсяпри нулевом сдвиге фаз.3. Проведено исследование существующих решений, показано, что обеспечение работы СПЯ с нулевым сдвигом фаз требует значительных затрат на организацию управления и усложнения схемотехнических решений, по сравнению с работой СПЯ с фазовым сдвигом.4. Проведено компьютерное моделирование многоячейкового инверторас суммированием токов СПЯ и линейным сдвигом фаз с разными типами коммутации ключей, получены результаты для сравнительногоанализа.5.

Показано, что при суммировании токов СПЯ и двухтактной коммутации СПЯ возможно возникновение контуров протекания токов, минуянагрузку, при однотактной коммутации СПЯ невозможна полная загрузка ячеек, что значительно снижает эффективность таких инверторов.6. Построение многоячейкового инвертора с суммированием тока и передачей энергии нагрузке через дроссель–трансформаторные схемытребует реактивных элементов, работающих на частоте сети и, какследствие, имеющих худшие массогабаритные показатели.643.

АЛГОРИТМ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ВЫХОДЕМНОГОЯЧЕЙКОВОГО ИНВЕРТОРА С РАВНОЙ ЗАГРУЖЕННОСТЬЮ ЯЧЕЕКИнтенсивное развитие альтернативных источников энергии и системэнергообеспечения на их основе, требует высокомощных преобразователей. Кнаиболее распространѐнным источникам альтернативной энергии относятсяветроэнергетические установки и солнечные станции. Для преобразования постоянного тока, генерируемого этими установками, в переменный заданногокачества требуется инвертор соответствующей мощности.Задача увеличения выходной мощности инвертора сама по себе требуетнетривиальных подходов к ее решению.

Она возможна путем увеличения установленной мощности силовых ключей инвертора до требуемых значений, однако, при ограничениях, определяемых состоянием современной отечественнойэлементной базы силовых полупроводниковых приборов и тенденции к импортозамещению, непосредственное решение этой задачи затруднено. Известно, что одним из способов увеличения выходной мощности инверторов является применение многопоточного преобразования, когда выходная мощностьсуммируется от нескольких отдельных инверторов, каждый из которых является ячейкой, входящей в состав многоячейкового инвертора, работающих сопределенным сдвигом фаз.

В главе 2 были рассмотрены возможности суммирования тока СПЯ. В этой главе показано, какие результаты можно получитьпри суммировании напряжений.653.1 Способы формирования напряжения на выходе многоячейковогоинвертораПрименение многоканального преобразования позволяет сформироватьмногоуровневое выходное напряжение, по форме приближающееся к синусоидальной.Помимо формирования выходного напряжения с улучшенным спектральным составом, многоячейковый инвертор позволит уменьшить нагрузку на отдельные инверторы.Наиболее известные методы формирования многоуровневого напряжения– равномерный сдвиг коммутации ячеек (Рисунок 3.1) и аппроксимируемый втрапецеидальную форму выходной сигнал (Рисунок 3.2).

Также используетсякоммутация ячеек с нелинейным распределением по времени, которая не будетрассмотрена ввиду неравномерности нагрузок на отдельные ячейки составногоинвертора.Рисунок 3.1 – Форма выходного напряжение инвертора с равномерным сдвигомвключения ячеек66Рисунок 3.2 – Форма выходного напряжения инвертора при аппроксимации в трапецеидальную форму углов коммутации ячеекУглы коммутации ключей инвертора при равномерном сдвиге рассчитываются по следующим формулам: =,N(3.1)где N – число ячеек инвертора, α – угол сдвига момента включения ячеек инвертора1  , i i.N(3.2)Другим вариантом алгоритма переключения силовых ключей, когда углывключения ключей инвертора формируют выходное напряжение, аппроксимируемое в трапецеидальную форму, рассчитываются по следующим формулам:2ctg   3 , =N 1(3.3)1  ,2ctg   3 .i  i N 1(3.4)67Для обеспечения отказоустойчивости, упрощения конструкции и уменьшения массогабаритных показателей для построения многоканальной структуры целесообразно использовать одинаковые структуры ячеек.