RU2750582C1 - Unsymmetrical circuit of cascade frequency converter - Google Patents
Unsymmetrical circuit of cascade frequency converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2750582C1 RU2750582C1 RU2020122636A RU2020122636A RU2750582C1 RU 2750582 C1 RU2750582 C1 RU 2750582C1 RU 2020122636 A RU2020122636 A RU 2020122636A RU 2020122636 A RU2020122636 A RU 2020122636A RU 2750582 C1 RU2750582 C1 RU 2750582C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency converter
- voltage
- phase
- cascade
- converters
- 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
- H02M7/49—Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
Description
Предложенное изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к статическим многоуровневым электрическим преобразователям на основе каскадного преобразователя частоты, и может быть использовано в высоковольтных частотно-регулируемых электроприводах переменного тока большой мощности с высокими показателями качества синтезируемого напряжения, а также высокими показателями надежности.The proposed invention relates to the field of electrical engineering and power electronics, in particular to static multilevel electrical converters based on a cascade frequency converter, and can be used in high-voltage variable frequency drives of high power alternating current with high quality indicators of the synthesized voltage, as well as high reliability indicators.
Известен преобразователь частоты (патент RU 2414043 С1, класс Н02М 5/452, Н02М 7/5387, Н02М 7/5395, Н02М 1/12, Н02Р 27/08, H02J 3/36 26.03.2010 г., Бестрансформаторный преобразователь частоты для регулируемого средневольтного электропривода, Мустафа Георгий Маркович, Демчук Сергей Петрович, Сенов Юрий Михайлович, Ильинский Александр Дмитриевич, номер заявки 2010111413/07), содержащий трехфазный двухполупериодный выпрямитель напряжения, собранный на последовательно соединенных тиристорах, конденсаторный делитель напряжения звена постоянного тока и трехфазный трехуровневый инвертор напряжения собранный на транзисторах по схеме с нулевой точкой. Недостатком известной схемы является то, что потенциал нулевой точки конденсаторного делителя звена постоянного тока будет значительно изменяться в зависимости от величины нагрузки фаз инвертора и алгоритма работы силовых ключей трехуровнего инвертора напряжения. К недостаткам такой схемы так же следует отнести возможность формирования ограниченного количества уровней напряжения на выходе инвертора напряжения и как следствие низкое качество синтезируемого напряжения.Known frequency converter (patent RU 2414043 C1,
Известен преобразователь частоты (патент CN 201057634 U, Three power level integrated intermediate and high voltage frequency convenor, Zhi Yang, Jian Wu, Xiaojun Guo, класс H02M 5/44, H02M 5/458, H02M 1/12, H02M 1/14, 23.02.2006 г.), содержащий входной силовой трехфазный трехобмоточный трансформатор две вторичные обмотки которого соединены одна звездой другая треугольником и подключенные на трехфазные двухполупериодные неуправляемые выпрямители напряжения соединенные своими выходами согласованно последовательно и организующими трехуровневый источник постоянного напряжения, к которому подключен трехуровневый инвертор напряжения, собранный по схеме с нулевой точкой на полностью управляемых тиристорах. Достоинством такой схемы являются фиксированные уровни напряжения звена постоянного тока, зависящие от уровня напряжения вторичных обмоток трансформатора. К достоинствам известного преобразователя также можно отнести снижение уровня пульсации напряжения звена постоянного тока, за счет организации двенадцатипульсной схемы выпрямления. Недостатком известной схемы является ограниченное количество уровней синтезируемого напряжения на выходе инвертора напряжения, а также наличие трехобмоточного силового согласующего трансформатора, рассчитанного на полную мощность электропривода. Кроме всего прочего трехуровневый инвертор напряжения реализован на полностью управляемых тиристорах, имеющих ограничение по частоте коммутации и как следствие низкое качество синтезируемого напряжения на выходе преобразователя частоты. Таким образом, недостатком такой схемы является прямая зависимость качества выходного напряжения от частоты коммутации силовых полупроводниковых управляемых ключей инвертора, а также невозможность масштабирования такой схемы на большую мощность из-за ограниченных коммутационных возможностей, используемых силовых полупроводниковых элементов.Known frequency converter (patent CN 201057634 U, Three power level integrated intermediate and high voltage frequency convenor, Zhi Yang, Jian Wu, Xiaojun Guo,
Наиболее близким по технической сущности выбранное в качестве прототипа является устройство каскадного преобразователя частоты для управления электрической машиной переменного тока (патент US 5625545 А, класс Н02М 7/515, Medium voltage PWM drive and method, Peter W / Hammond, приоритет заявки 01.05.1994, дата публикации 29.04.1997), содержащее согласующий многообмоточный силовой трансформатор и последовательно соединенные ячейки в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты. Каждая ячейка каскадного преобразователя частоты выполнена в виде однофазного двухзвенного преобразователя частоты, выполненного с двухуровневым инвертором напряжения. Вход каждого однофазного преобразователя частоты соединен с выходами вторичных обмоток многообмоточного силового трансформатора, а выходы однофазных преобразователей частоты в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты соединены последовательно и образуют условные начала и концы фаз каскадного преобразователя частоты. Причем условные начала фаз каскадного преобразователя частоты соединены между собой, а условные концы подключены к выводам электродвигателя переменного тока. Достоинством такой схемы является масштабируемость и возможность реализации такой схемы электрического преобразователя практически не ограниченной мощности, поскольку наращивание мощности в такой схеме осуществляется за счет наращивания напряжения в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты. Недостатком известного каскадного преобразователя частоты является большое количество ячеек в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты, а также наличие сложного многообмоточного силового согласующего трансформатора. К недостаткам известного каскадного преобразователя частоты также следует отнести фиксированное и ограниченное число уровней синтезируемого напряжения на выходе каскадного преобразователя частоты при фиксированном количестве ячеек в каждой из фаз, высокая стоимость, а также сложная и разветвленная система управления.The closest in technical essence selected as a prototype is a cascade frequency converter device for controlling an AC electric machine (US patent 5625545 A, class Н02М 7/515, Medium voltage PWM drive and method, Peter W / Hammond, application priority 01.05.1994, publication date 04/29/1997), containing a matching multi-winding power transformer and series-connected cells in each of the phases of the cascade frequency converter. Each cell of the cascade frequency converter is made in the form of a single-phase two-link frequency converter, made with a two-level voltage inverter. The input of each single-phase frequency converter is connected to the outputs of the secondary windings of the multi-winding power transformer, and the outputs of the single-phase frequency converters in each of the phases of the cascade frequency converter are connected in series and form the conditional beginning and ends of the phases of the cascade frequency converter. Moreover, the conditional beginnings of the phases of the cascade frequency converter are connected to each other, and the conditional ends are connected to the terminals of the AC motor. The advantage of such a circuit is scalability and the possibility of implementing such a circuit of an electrical converter of practically unlimited power, since the increase in power in such a circuit is carried out by increasing the voltage in each phase of the cascade frequency converter. The disadvantage of the known cascade frequency converter is the large number of cells in each of the phases of the cascade frequency converter, as well as the presence of a complex multi-winding power matching transformer. The disadvantages of the known cascade frequency converter should also include a fixed and limited number of levels of the synthesized voltage at the output of the cascade frequency converter with a fixed number of cells in each of the phases, high cost, as well as a complex and branched control system.
Технический результат предложения заключается в значительном упрощении схемы каскадного преобразователя частоты, сокращении числа элементарных ячеек и упрощении системы управления. Отличительной особенностью схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты является использование всего (M-1)⋅N элементарных ячеек M-фазной схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты по сравнению со схемой классического симметричного каскадного преобразователя частоты в которой используются M⋅N элементарных ячеек (где N - число элементарных ячеек в каждой фазе каскадного преобразователя частоты). Кроме всего прочего за счет сокращения общего количества элементарных ячеек предложенная несимметричная схема каскадного преобразователя частоты позволяет упростить систему управления, а также повысить энергетическую эффективность. Модификации предложенной схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты позволяют увеличить число уровней мгновенно синтезируемого линейного напряжения на выходе каскадного преобразователя частоты, а также повысить надежность работы схемы. Предложенная несимметричная схема каскадного преобразователя частоты и алгоритмы управления ей могут быть использована в классической симметричной схеме каскадного преобразователя частоты в случае частичного или полного выхода из строя элементарных ячеек одной из фаз. При этом сохраниться работоспособность электрического преобразователя и всего электропривода, и он сможет продолжать работать с ограничением, наложенным на величину мощности.The technical result of the proposal is to significantly simplify the cascade frequency converter circuit, reduce the number of elementary cells and simplify the control system. A distinctive feature of the circuit of an asymmetric cascade frequency converter is the use of all (M-1) элементN elementary cells of the M-phase circuit of an asymmetric cascade frequency converter in comparison with a circuit of a classical symmetrical cascade frequency converter in which M⋅N elementary cells are used (where N is the number of elementary cells in each phase of the cascade frequency converter). Among other things, by reducing the total number of elementary cells, the proposed asymmetric scheme of a cascade frequency converter makes it possible to simplify the control system, as well as to increase energy efficiency. Modifications of the proposed circuit of an asymmetric cascade frequency converter allow increasing the number of levels of instantly synthesized line voltage at the output of the cascade frequency converter, as well as increasing the reliability of the circuit. The proposed asymmetric circuit of a cascade frequency converter and control algorithms for it can be used in the classical symmetric circuit of a cascade frequency converter in the event of partial or complete failure of the elementary cells of one of the phases. At the same time, the operability of the electrical converter and the entire electric drive will remain, and it will be able to continue to work with the limitation imposed on the power value.
Описанные преимущества достигаются тем, что одна из фаз каскадного преобразователя частоты не содержит элементарных ячеек, а ее вывод соединен с общей точкой соединения остальных фаз каскадного преобразователя частоты. При этом элементарные ячейки остальных фаз осуществляют синтез линейных напряжении, а не фазных как в схеме симметричного каскадного преобразователя частоты.The described advantages are achieved by the fact that one of the phases of the cascade frequency converter does not contain elementary cells, and its output is connected to a common junction point of the remaining phases of the cascade frequency converter. In this case, the elementary cells of the remaining phases carry out the synthesis of linear voltage, and not phase voltage as in the scheme of a symmetric cascade frequency converter.
Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в несимметричной схеме каскадного преобразователя частоты, содержащей систему управления, гальванически изолированные источники переменного напряжения, однофазные преобразователи частоты, причем количество гальванически изолированных источников переменного напряжения равно количеству всех однофазных преобразователей частоты, однофазные преобразователи частоты сгруппированы по нескольким одинаковым группам электрических преобразователей, причем в каждой из групп электрических преобразователей однофазные преобразователи частоты своими выходами соединены последовательно, а выводы первого и последнего однофазного преобразователя частоты образуют соответственно условное начато и конец группы электрических преобразователей, при этом вторая и последующие фазы каскадного преобразователя частоты состоят из одинаковых групп электрических преобразователей, причем условные начала групп электрических преобразователей второй и последующей фазы каскадного преобразователя частоты соединены между собой, а условные концы образуют выходные выводы второй и последующих фаз каскадного преобразователя частоты, каждый из гальванически изолированных источников переменного напряжения своими выводами соединен с входом своего однофазного преобразователя частоты, а система управления соединена с каждым из однофазных преобразователей частоты предусмотрены следующие отличия: выходной вывод первой фазы каскадного преобразователя частоты соединен с общей точкой соединения второй и последующих фаз и условными началами групп электрических преобразователей.The tasks are solved due to the fact that in the asymmetric circuit of a cascade frequency converter containing a control system, galvanically isolated sources of alternating voltage, single-phase frequency converters, and the number of galvanically isolated alternating voltage sources is equal to the number of all single-phase frequency converters, single-phase frequency converters are grouped into several identical groups electrical converters, and in each of the groups of electrical converters, single-phase frequency converters are connected in series with their outputs, and the terminals of the first and last single-phase frequency converter form, respectively, the conditional start and end of the group of electrical converters, while the second and subsequent phases of the cascade frequency converter consist of identical groups of electrical converters, and the conditional beginnings of groups of electrical converters of the second and subsequent phases of the cascade th frequency converter are connected to each other, and the conventional ends form the output terminals of the second and subsequent phases of the cascade frequency converter, each of the galvanically isolated alternating voltage sources is connected with its terminals to the input of its single-phase frequency converter, and the control system is connected to each of the single-phase frequency converters, the following are provided differences: the output terminal of the first phase of the cascade frequency converter is connected to a common connection point of the second and subsequent phases and the conditional beginnings of groups of electrical converters.
Кроме того, несимметричная схема каскадного преобразователя частоты может быть выполнена так, что однофазные преобразователи частоты выполнены на основе двухзвенных преобразователей частоты.In addition, the single-ended circuit of the cascade frequency converter can be designed so that single-phase frequency converters are based on two-link frequency converters.
Кроме того, несимметричная схема каскадного преобразователя частоты может быть выполнена так, что однофазные преобразователи частоты выполнены на основе непосредственных преобразователей частоты.In addition, the single-ended circuit of the cascade frequency converter can be designed so that the single-phase frequency converters are based on direct frequency converters.
Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в несимметричной схеме каскадного преобразователя частоты, содержащей систему управления, гальванически изолированные источники постоянного напряжения, однофазные инверторы напряжения, причем количество гальванически изолированных источников постоянного напряжения равно количеству однофазных инверторов напряжения, однофазные инверторы напряжения сгруппированы по нескольким одинаковым группам электрических преобразователей, причем в каждой из групп электрических преобразователей однофазные инверторы напряжения своими выходами соединены последовательно, а выводы первого и последнего однофазного инвертора напряжения образуют соответственно условное начало и конец группы электрических преобразователей, при этом вторая и последующие фазы каскадного преобразователя частоты состоят из одинаковых групп электрических преобразователей, причем условные начала групп электрических преобразователей второй и последующей фазы каскадного преобразователя частоты соединены между собой, а условные концы образуют выходные выводы второй и последующих фаз каскадного преобразователя частоты, каждый из гальванически изолированных источников постоянного напряжения своими выводами соединен с входом своего однофазного инвертора напряжения, а система управления соединена с каждым из однофазных инверторов напряжения предусмотрены следующие отличия: выходной вывод первой фазы каскадного преобразователя частоты соединен с общей точкой соединения второй и последующих фаз и условными началами групп электрических преобразователей.The tasks are solved due to the fact that in an asymmetric circuit of a cascade frequency converter containing a control system, galvanically isolated DC voltage sources, single-phase voltage inverters, and the number of galvanically isolated DC voltage sources is equal to the number of single-phase voltage inverters, single-phase voltage inverters are grouped into several identical groups of electrical converters, and in each of the groups of electrical converters single-phase voltage inverters are connected in series with their outputs, and the terminals of the first and last single-phase voltage inverter form, respectively, the conditional beginning and end of the group of electrical converters, while the second and subsequent phases of the cascade frequency converter consist of the same groups of electrical converters , and the conditional beginnings of groups of electrical converters of the second and subsequent phases of the cascade converter the frequencies are connected to each other, and the conditional ends form the output terminals of the second and subsequent phases of the cascade frequency converter, each of the galvanically isolated DC voltage sources is connected with its terminals to the input of its single-phase voltage inverter, and the control system is connected to each of the single-phase voltage inverters, the following differences are provided: the output terminal of the first phase of the cascade frequency converter is connected to a common junction point of the second and subsequent phases and to the conditional origins of the groups of electrical converters.
Кроме того, несимметричная схема каскадного преобразователя частоты может быть выполнена так, что гальванически изолированные источники постоянного напряжения выполнены на разный уровень напряжения, причем в каждой из фаз каскадного преобразователя частоты содержащей группы электрических преобразователей, напряжение источника постоянного напряжения подключенного ко второму однофазному инвертору напряжения равно удвоенному напряжению источника постоянного напряжения подключенного к первому однофазному инвертору напряжения, напряжение источника постоянного напряжения подключенного к третьему однофазному инвертору напряжения равно удвоенному напряжению источника постоянного напряжения подключенного ко второму однофазному инвертору напряжения и так далее.In addition, the asymmetric circuit of the cascade frequency converter can be made so that galvanically isolated DC voltage sources are made at different voltage levels, and in each of the phases of the cascade frequency converter containing a group of electrical converters, the voltage of the DC voltage source connected to the second single-phase voltage inverter is equal to twice voltage of the constant voltage source connected to the first single-phase voltage inverter, the voltage of the constant voltage source connected to the third single-phase voltage inverter is equal to twice the voltage of the constant voltage source connected to the second single-phase voltage inverter, and so on.
Кроме того, несимметричная схема каскадного преобразователя частоты может быть выполнена так, что гальванически изолированные источники постоянного напряжения и однофазные инверторы напряжения выполнены многоуровневыми.In addition, the single-ended circuit of the cascade frequency converter can be designed so that galvanically isolated DC voltage sources and single-phase voltage inverters are multilevel.
Сущность изобретения поясняется чертежами.The essence of the invention is illustrated by drawings.
На Фиг. 1 представлена базовый вариант схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты с питанием от источников переменного напряжения; на Фиг. 2 представлена схема несимметричного каскадного преобразователя частоты, элементарные ячейки которого - однофазные преобразователи частоты - реализованы с помощью двухзвенных преобразователей частоты с инверторами напряжения; на Фиг. 3 представлена схема несимметричного каскадного преобразователя частоты элементарные ячейки которого - однофазные преобразователи частоты - реализованы с непосредственных преобразователей частоты; на Фиг. 4 представлена базовый вариант схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты, элементарные ячейки которого реализованы на инверторах напряжения, а питание несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты выполнено с использованием источников постоянного напряжения; на Фиг. 5 представлена схема несимметричного каскадного преобразователя частоты, элементарные ячейки которого реализованы на инверторах напряжения, а питание несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты выполнено с использованием источников постоянного напряжения выполненных на разный уровень напряжения; на Фиг. 6 представлена схема несимметричного каскадного преобразователя частоты, элементарные ячейки которого реализованы на многоуровневых инверторах напряжения, собранных по схеме с нулевой точкой; на Фиг. 7 представлена схема несимметричного каскадного преобразователя частоты, элементарные ячейки которого реализованы на многоуровневых инверторах напряжения собранных по Т-образной схеме инвертора напряжения; на Фиг. 8 представлен пример электропривода на основе несимметричного каскадного преобразователя частоты, содержащем всего четыре элементарные ячейки, реализованные на двухуровневых инверторах напряжения при питании от источников постоянного напряжения с одинаковым уровнем напряжения питания; на Фиг. 9 представлены временные диаграммы при моделировании синтезируемого линейного напряжения (при параметрах системы управления и источников питания: kмод⋅=0,9; ƒ=50 Гц; ƒнес=1000 Гц; Ud=1500 В, и параметрах электродвигателя Рном=8,2 МВт, Uном=2400 В, cos(ϕ)=0,73); на Фиг. 10 представлены временные диаграммы фазного напряжения при моделировании схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты при ее работе на симметричную нагрузку соединенную звездой каждая из ветвей которой представляет собой последовательно соединенные RL с параметрами Rн=0,2 Ом, Lн=0,001 Гн (при параметрах системы управления и источников питания: kмод⋅=0,9; ƒ=50 Гц; ƒнес=1000 Гц; Ud=1500 В); на Фиг. 11 представлены временные диаграммы токов в нагрузке при моделировании схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты при ее работе на симметричную нагрузку соединенную звездой каждая из ветвей которой представляет собой последовательно соединенные RL с параметрами Rн=0,2 Ом, Lн=0,001 Гн (при параметрах системы управления и источников питания: kмод⋅=0,9; ƒ=50 Гц; ƒнес=1000 Гц; Ud=1500 В); на Фиг. 12 представлен результат синтеза выходного линейного синусоидального напряжения путем суммирования напряжений двух (N=2) трехуровневых (L=3) однофазных инверторов напряжения 7-1 (7-2÷7-N), имеющих одинаковое напряжение питания от источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N); на Фиг. 13 представлен результат синтеза выходного линейного синусоидального напряжения путем суммирования напряжений двух (N=2) трехуровневых (L=3) однофазных инверторов напряжения 7-1 (7-2÷7-N), имеющих дифференцированные напряжения питания от источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N); на Фиг. 14 представлен результат синтеза выходного линейного синусоидального напряжения путем суммирования и вычитания напряжений двух (N=2) трехуровневых (L=3) однофазных инверторов напряжения 7-1 (7-2÷7-N), имеющих дифференцированные напряжения питания от источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N); на Фиг. 15 представлена таблица, которая наглядно характеризует связь максимально возможного количества уровней синтезируемого линейного напряжения в зависимости от способа повышения качества напряжения и числа элементарных ячеек в фазах несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты; на Фиг. 16 представлена гистограмма, построенная по таблице Фиг. 12, которая наиболее наглядно показывает связь максимально возможного количества уровней синтезируемого линейного напряжения в зависимости от способа повышения качества напряжения и числа элементарных ячеек в полных фазах (фазах содержащих группы электрических преобразователей) несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты.FIG. 1 shows a basic version of the circuit of an asymmetric cascade frequency converter powered by AC voltage sources; in FIG. 2 shows a diagram of an asymmetric cascade frequency converter, the elementary cells of which - single-phase frequency converters - are implemented using two-link frequency converters with voltage inverters; in FIG. 3 shows a diagram of an asymmetric cascade frequency converter, the elementary cells of which - single-phase frequency converters - are implemented from direct frequency converters; in FIG. 4 shows a basic version of the circuit of an asymmetric cascade frequency converter, the elementary cells of which are implemented on voltage inverters, and the power supply of the asymmetric circuit of a cascade frequency converter is made using constant voltage sources; in FIG. 5 shows a diagram of an asymmetric cascade frequency converter, the elementary cells of which are implemented on voltage inverters, and the power supply of the asymmetric circuit of the cascade frequency converter is made using constant voltage sources made at different voltage levels; in FIG. 6 shows a diagram of an asymmetric cascade frequency converter, the elementary cells of which are implemented on multilevel voltage inverters assembled according to a zero-point scheme; in FIG. 7 shows a diagram of an asymmetric cascade frequency converter, the elementary cells of which are implemented on multilevel voltage inverters assembled according to a T-shaped voltage inverter circuit; in FIG. 8 shows an example of an electric drive based on an asymmetric cascade frequency converter containing only four elementary cells, implemented on two-level voltage inverters when powered from constant voltage sources with the same supply voltage level; in FIG. 9 shows timing charts when simulations synthesized line voltage (for the parameters the control system and power sources: k = mod ⋅ 0.9; ƒ = 50 Hz; ƒ carried = 1000 Hz; U d = 1500 V, and the motor parameters P nom = 8 , 2 MW, U nom = 2400 V, cos (ϕ) = 0.73); in FIG. 10 shows the timing diagrams of the phase voltage when simulating the circuit of an asymmetric cascade frequency converter during its operation on a symmetrical load connected by a star, each of the branches of which is series-connected RL with parameters R n = 0.2 Ohm, L n = 0.001 H (with the parameters of the control system and power supplies: k mod ⋅ = 0.9; ƒ = 50 Hz; ƒ ness = 1000 Hz; U d = 1500 V); in FIG. 11 shows the timing diagrams of currents in the load when simulating the circuit of an asymmetric cascade frequency converter during its operation on a symmetrical load connected by a star, each of the branches of which is series-connected RL with parameters R n = 0.2 Ohm, L n = 0.001 H (with system parameters control and power supplies: k mod ⋅ = 0.9; ƒ = 50 Hz; ƒ ness = 1000 Hz; U d = 1500 V); in FIG. 12 shows the result of the synthesis of the output linear sinusoidal voltage by summing the voltages of two (N = 2) three-level (L = 3) single-phase voltage inverters 7-1 (7-2 ÷ 7-N), having the same supply voltage from constant voltage sources 6-1 ÷ 6 - ((M-1) ⋅N); in FIG. 13 shows the result of the synthesis of the output linear sinusoidal voltage by summing the voltages of two (N = 2) three-level (L = 3) single-phase voltage inverters 7-1 (7-2 ÷ 7-N), having differentiated supply voltages from constant voltage sources 6-1 ÷ 6 - ((M-1) ⋅N); in FIG. 14 shows the result of the synthesis of the output linear sinusoidal voltage by summing and subtracting the voltages of two (N = 2) three-level (L = 3) single-phase voltage inverters 7-1 (7-2 ÷ 7-N), having differentiated supply voltages from constant voltage sources 6 -1 ÷ 6 - ((M-1) ⋅N); in FIG. 15 presents a table that clearly characterizes the relationship of the maximum possible number of levels of the synthesized line voltage depending on the method of increasing the voltage quality and the number of elementary cells in the phases of the asymmetric circuit of the cascade frequency converter; in FIG. 16 is a histogram plotted according to the table of FIG. 12, which most clearly shows the relationship of the maximum possible number of levels of the synthesized line voltage, depending on the method of increasing the voltage quality and the number of elementary cells in full phases (phases containing groups of electrical converters) of an asymmetric circuit of a cascade frequency converter.
Несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, которая представлена на Фиг. 1, содержит систему управления 1, гальванически изолированные источники переменного напряжения 2-1÷2-((M-1)⋅N), однофазные преобразователи частоты 3-1÷3-N. Количество гальванически изолированных источников переменного напряжения 2-1÷2-((M-1)⋅N) равно количеству всех однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-N. Однофазные преобразователи частоты 3-1÷3-N сгруппированы по нескольким одинаковым группам электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1). В каждой из групп электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1) однофазные преобразователи частоты 3-1÷3-N своими выходами соединены последовательно, а выводы первого 3-1 и последнего 3-N однофазного преобразователя частоты образуют соответственно условное начало и конец группы электрических преобразователей 4-1÷4-(M-1). При этом вторая 5-1, и последующие 5-2÷5-(М-1) фазы каскадного преобразователя частоты состоят из одинаковых групп электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1). Условные начала групп электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1) второй 5-1 и последующей 5-2 (5-3÷5-(М-1)) фазы каскадного преобразователя частоты соединены между собой. Условные концы фаз 5-1÷5-(M-1) каскадного преобразователя частоты образуют выходные выводы второй и последующих фаз каскадного преобразователя частоты. Каждый из гальванически изолированных источников переменного напряжения 2-1÷2-((М-1)⋅N) своими выводами соединен с входом своего однофазного преобразователя частоты 3-1÷3-N. Система управления 1 соединена с каждым из однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-N. Выходной вывод первой фазы 5-М каскадного преобразователя частоты соединен с общей точкой соединения второй 5-1 и последующих фаз 5-2÷5-(М-1) и условными началами групп электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1).The asymmetric circuit of the cascade frequency converter, which is shown in FIG. 1, contains a
Несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, изображенная на Фиг. 2, однофазные преобразователи частоты 3-1÷3-N которой выполненных на основе двухзвенных преобразователях частоты.The single-ended circuit of the cascade frequency converter shown in FIG. 2, single-phase frequency converters 3-1 ÷ 3-N of which are made on the basis of two-link frequency converters.
Несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, изображенная на Фиг. 3, однофазные преобразователи частоты 3-1÷3-N которой выполненных на основе непосредственных преобразователей частоты.The single-ended circuit of the cascade frequency converter shown in FIG. 3, single-phase frequency converters 3-1 ÷ 3-N of which are made on the basis of direct frequency converters.
Несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, которая представлена на Фиг. 4 содержит систему управления 1, гальванически изолированные источники постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N), однофазные инверторы напряжения 7-1÷7-N. Количество гальванически изолированных источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N) равно количеству однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N. Однофазные инверторы напряжения 7-1÷7-N сгруппированы по нескольким одинаковым группам электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1). В каждой из групп электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1) однофазные инверторы напряжения 7-1÷7-N своими выходами соединены последовательно. Выводы первого 7-1 и последнего 7-N однофазного инвертора напряжения образуют соответственно условное начало и конец группы электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1). Вторая 5-1 и последующие фазы 5-2÷5-(М-1) каскадного преобразователя частоты состоят из одинаковых групп электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1). Условные начала групп электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1) второй 5-1 и последующей фазы 5-2 (5-3÷5-(М-1)) каскадного преобразователя частоты соединены между собой. Условные концы групп электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1) образуют выходные выводы второй 5-1 и последующих фаз 5-2÷5-(М-1) каскадного преобразователя частоты. Каждый из гальванически изолированных источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N) своими выводами соединен с входом своего однофазного инвертора напряжения 7-1÷7-N. Система управления 1 соединена с каждым из однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N. Выходной вывод первой фазы 5-М каскадного преобразователя частоты соединен с общей точкой соединения второй 5-1 и последующих фаз 5-2÷5-(М-1) и условными началами групп электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1).The asymmetric circuit of the cascade frequency converter, which is shown in FIG. 4 contains
Несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, схема которого представлена на Фиг. 5, содержит гальванически изолированные источники постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N), выполненные на разный уровень напряжения. В каждой из фаз 5-1÷5-(М-1) каскадного преобразователя частоты, содержащей группы электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1), напряжение источника постоянного напряжения 6-2 (6-(N+2), 6-(2⋅N+2)÷6-(M⋅N-2⋅N+2)) подключенного ко второму однофазному инвертору напряжения 7-2 равно удвоенному напряжению источника постоянного напряжения 6-1 (6-(N+1), 6-(2⋅N+1)÷6-(M⋅N-2⋅N+1)) подключенного к первому однофазному инвертору напряжения 7-1. Напряжение источника постоянного напряжения 6-3 (6-(N+3), 6-(2⋅N+3)÷6-(M⋅N-2⋅N+3)), подключенного к третьему однофазному инвертору напряжения 7-3 равно удвоенному напряжению источника постоянного напряжения 6-2 (6-(N+2), 6-(2⋅N+2)÷6-(M⋅N-2⋅N+2)), подключенного ко второму однофазному инвертору напряжения 7-2 и так далее.An asymmetric circuit of a cascade frequency converter, the circuit of which is shown in FIG. 5, contains galvanically isolated DC voltage sources 6-1 ÷ 6 - ((M-1) ⋅N), made for different voltage levels. In each of the phases 5-1 ÷ 5- (M-1) of a cascade frequency converter containing groups of electrical converters 4-1 ÷ 4- (M-1), the voltage of a constant voltage source is 6-2 (6- (N + 2) , 6- (2⋅N + 2) ÷ 6- (M⋅N-2⋅N + 2)) connected to the second single-phase inverter voltage 7-2 is equal to twice the voltage of the constant voltage source 6-1 (6- (N + 1 ), 6- (2⋅N + 1) ÷ 6- (M⋅N-2⋅N + 1)) connected to the first single-phase voltage inverter 7-1. DC voltage source 6-3 (6- (N + 3), 6- (2⋅N + 3) ÷ 6- (M⋅N-2⋅N + 3)) connected to the third single-phase voltage inverter 7-3 equal to twice the voltage of the constant voltage source 6-2 (6- (N + 2), 6- (2⋅N + 2) ÷ 6- (M⋅N-2⋅N + 2)) connected to the second single-phase voltage inverter 7 -2 and so on.
Несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, схемы которого представлены на Фиг. 6 и Фиг. 7, содержит гальванически изолированные источники постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N) и однофазные инверторы напряжения 7-1÷7-N которые выполнены многоуровневыми. На Фиг. 6 представлена несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, элементарные ячейки которого - многоуровневые инверторы напряжения - выполнены по схеме с нулевой точкой. На Фиг. 7 представлена несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, элементарные ячейки которого - многоуровневые инверторы напряжения - выполнены по Т-образной схеме.An asymmetric circuit of a cascade frequency converter, the circuits of which are shown in FIG. 6 and FIG. 7, contains galvanically isolated DC voltage sources 6-1 ÷ 6 - ((M-1) ⋅N) and single-phase voltage inverters 7-1 ÷ 7-N, which are multilevel. FIG. 6 shows an asymmetric circuit of a cascade frequency converter, the elementary cells of which - multilevel voltage inverters - are made according to the circuit with a zero point. FIG. 7 shows an asymmetric circuit of a cascade frequency converter, the elementary cells of which - multilevel voltage inverters - are made according to a T-shaped scheme.
Работа несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты происходит следующим образом.The operation of an asymmetric circuit of a cascade frequency converter is as follows.
Идея создания такого электрического преобразователя, а именно источника напряжения на основе несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты, лежит в основе теоретических основ электротехники, а именно в разделе, связанном с трехфазными электрическими цепями. Известно, что в трехфазных электрических цепях векторная сумма трех линейных напряжении равна нулю. Следовательно, если мы будем синтезировать два линейных напряжения определенным образом из трех, то третье должно синтезироваться автоматически.The idea of creating such an electrical converter, namely a voltage source based on an asymmetric circuit of a cascade frequency converter, lies at the heart of the theoretical foundations of electrical engineering, namely in the section related to three-phase electrical circuits. It is known that in three-phase electrical circuits, the vector sum of three line voltages is zero. Therefore, if we synthesize two line voltages in a certain way out of three, then the third should be synthesized automatically.
В общем случае для М-фазных электрических цепей либо для М-фазных несимметричных каскадных преобразователей частоты (Фиг. 1 - Фиг. 7), если мы будем синтезировать М-1 линейное напряжение определенным образом из М, то последнее должно синтезироваться автоматически. С учетом того что в классической схеме М-фазного каскадного преобразователя частоты в каждой фазе формируются М фазных напряжений, которые имеют одинаковую амплитуду, частоту и сдвинуты по фазе друг относительно друга на угол 
Принцип работы несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты наиболее наглядно поясняется с использованием трехфазного (М=3) несимметричного каскадного преобразователя частоты, фазы 5-1, 5-2 которого состоят из двух (N=2) однофазных инверторов напряжения 7-1, 7-2, представленного на Фиг. 8. Отличительной особенностью схемы (Фиг. 8) несимметричного каскадного преобразователя частоты является отсутствие элементарных ячеек - однофазных инверторов напряжения 7-1, 7-2 в одной из фаз 5-3. При этом однофазные инверторы напряжения 7-1, 7-2 групп электрических преобразователей 4-1, 4-2 будут синтезировать линейные напряжения Uvu (Uwu). При этом первая выходная фаза 5-3 несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты является общей точкой соединения фаз 5-1, 5-2 несимметричного каскадного преобразователя частоты и не содержит элементарных ячеек - однофазных инверторов напряжения 7-1, 7-2.The principle of operation of an asymmetric circuit of a cascade frequency converter is most clearly explained using a three-phase (M = 3) asymmetric cascade frequency converter, phases 5-1, 5-2 of which consist of two (N = 2) single-phase voltage inverters 7-1, 7-2 shown in FIG. 8. A distinctive feature of the circuit (Fig. 8) of an asymmetric cascade frequency converter is the absence of elementary cells - single-phase voltage inverters 7-1, 7-2 in one of the phases 5-3. In this case, single-phase voltage inverters 7-1, 7-2 of groups of electrical converters 4-1, 4-2 will synthesize line voltages U vu (U wu ). In this case, the first output phase 5-3 of the asymmetric cascade frequency converter is a common connection point for phases 5-1, 5-2 of the asymmetric cascade frequency converter and does not contain elementary cells - single-phase voltage inverters 7-1, 7-2.
Более подробно рассмотрим алгоритмы формирования линейных напряжений на выходе несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты. Рассмотрим самый простой алгоритм формирования трехфазного выходного напряжения по закону синусоидальной ШИМ.Let us consider in more detail the algorithms for the formation of line voltages at the output of the single-ended circuit of a cascade frequency converter. Consider the simplest algorithm for generating a three-phase output voltage according to the law of sinusoidal PWM.
Пусть, в системе управления 1 синтезируются функции:Let, in
1) напряжений управления (Uvu-ynp, Uwu-ynp) фазами 5-1, 5-2 каскадного преобразователя частоты:1) control voltages (U vu-ynp , U wu-ynp ) phases 5-1, 5-2 of the cascade frequency converter:
где kмод - коэффициент модуляции (0…1), ω=2⋅π⋅ƒ - угловая частота вращения напряжения управления, ƒ - частота напряжения управления.where k mod is the modulation coefficient (0… 1), ω = 2⋅π⋅ƒ is the angular frequency of rotation of the control voltage, ƒ is the frequency of the control voltage.
В предложенной схеме несимметричного каскадного преобразователя частоты синтезируются именно линейные напряжения управления, а не фазные, как в классической схеме каскадного преобразователя частоты. Следовательно, сдвиг фаз синтезируемых линейных напряжений Uvu между выводами фаз 5-1, 5-3 и Uwu между выводами фаз 5-2, 5-3 составляет 
2) опорных напряжении (Uon++, Uon+, Von- Uon--)2) reference voltage (U on ++ , U on + , V on- U on-- )
где ωнес=2⋅π⋅ƒнес - угловая частота вращения опорного напряжения, ƒнес - несущая частота опорного напряжения.where ω = 2⋅π⋅ƒ carried bore - the angular speed of the reference voltage, ƒ bore - carrier frequency of the reference voltage.
3) управления транзисторами VT1÷VT4 инверторов напряжения 7-1 и 7-2 группы электрического преобразователя 4-1, фазы 5-1 несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты3) control of transistors VT1 ÷ VT4 of voltage inverters 7-1 and 7-2 of the electrical converter group 4-1, phase 5-1 of the asymmetric circuit of the cascade frequency converter
где sign(x) - знаковая функция (знак числа х).where sign (x) is a sign function (sign of the number x).
4) управления транзисторами VT1÷VT4 инверторов напряжения 7-1 и 7-2 группы электрического преобразователя 4-2, фазы 5-2 несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты4) control of transistors VT1 ÷ VT4 of voltage inverters 7-1 and 7-2 of the electrical converter group 4-2, phases 5-2 of the asymmetric circuit of the cascade frequency converter
где sign(x) - знаковая функция (знак числа х).where sign (x) is a sign function (sign of the number x).
Используя предложенные алгоритмы, было осуществлено моделирование и синтезированы линейные напряжения на выходе несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты. На Фиг. 9 представлены временные диаграммы при моделировании синтезируемого линейного напряжения (при параметрах системы управления и источников питания: kмод⋅=0,9; ƒ=50 Гц; ƒнес=1000 Гц; Ud=1500 В). На Фиг. 10 представлены временные диаграммы фазного напряжения при моделировании схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты при ее работе на симметричную нагрузку, соединенную звездой каждая из ветвей которой представляет собой последовательно соединенные RL с параметрами Rн=0,2 Ом, Lн=0,001 Гн. На Фиг. 11 представлены временные диаграммы токов в нагрузке при моделировании схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты при ее работе на симметричную нагрузку, соединенную звездой каждая из ветвей которой представляет собой последовательно соединенные RL с параметрами Rн=0,2 Ом, Lн=0,001 Гн.Using the proposed algorithms, modeling was carried out and linear voltages were synthesized at the output of an asymmetric circuit of a cascade frequency converter. FIG. 9 shows timing charts when simulations synthesized line voltage (for the parameters the control system and power sources: k = mod ⋅ 0.9; ƒ = 50 Hz; ƒ carried = 1000 Hz; U d = 1500). FIG. 10 shows the timing diagrams of the phase voltage when simulating the circuit of an asymmetric cascade frequency converter during its operation on a symmetrical load, connected by a star, each of the branches of which is series-connected RL with parameters R n = 0.2 Ohm, L n = 0.001 H. FIG. 11 shows the timing diagrams of currents in the load when simulating the circuit of an asymmetric cascade frequency converter when operating on a symmetrical load, connected by a star, each of the branches of which is series-connected RL with parameters R n = 0.2 Ohm, L n = 0.001 H.
Работа схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты, состоящего из М фаз 5-1÷5-М (Фиг. 1 - Фиг. 7.) аналогична рассмотренной работе схемы трехфазного несимметричного каскадного преобразователя частоты (Фиг. 8). Следует отметить, что несимметричная схема каскадного преобразователя частоты, так же, как и классическая симметричная схема обладает большим потенциалом и рядом функциональных возможностей. Так базовые варианты схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты с питанием от источников переменного напряжения 2-1÷2-((M-1)⋅N) (Фиг. 1) могут быть реализованы на основе однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-N, выполненных с помощью двухзвенных преобразователей частоты с инверторами напряжения (Фиг. 2) или на основе однофазных преобразователей частоты 3-1÷3-N, реализованных с помощью непосредственных преобразователей частоты (Фиг. 3).The operation of the circuit of an asymmetric cascade frequency converter, consisting of M phases 5-1 ÷ 5-M (Fig. 1 - Fig. 7.) is similar to the considered operation of the circuit of a three-phase asymmetric cascade frequency converter (Fig. 8). It should be noted that the asymmetric circuit of the cascade frequency converter, just like the classical symmetrical circuit, has great potential and a number of functional capabilities. So the basic variants of the circuit of an asymmetric cascade frequency converter powered by AC voltage sources 2-1 ÷ 2 - ((M-1) ⋅N) (Fig. 1) can be implemented on the basis of single-phase frequency converters 3-1 ÷ 3-N, made using two-link frequency converters with voltage inverters (Fig. 2) or on the basis of single-phase frequency converters 3-1 ÷ 3-N, implemented using direct frequency converters (Fig. 3).
Кроме всего предложенная несимметричная схема каскадного преобразователя частоты (Фиг. 5 - Фиг. 7) обладает широчайшими потенциальными возможностями в части улучшения качества синтезируемого линейного напряжения.In addition, the proposed single-ended circuit of a cascade frequency converter (Fig. 5 - Fig. 7) has the broadest potential in terms of improving the quality of the synthesized line voltage.
Базовый вариант схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты с питанием от источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N) (Фиг. 4) может быть выполнен с использованием однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N и источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N) выполненных на разный уровень напряжения. При этом может быть существенно улучшено качество синтезируемого линейного напряжения на выходе несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты. Кроме всего прочего базовые варианты схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты с питанием от источников постоянного напряжения 6-1÷6-((М-1)⋅N) (Фиг. 4) могут быть реализованы на основе однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N, выполненных: на многоуровневых инверторах напряжения, собранных по схеме с нулевой точкой (Фиг. 6), или на многоуровневых инверторах напряжения, собранных по Т-образной схеме инвертора напряжения (Фиг. 7). При такой схемной реализации несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты качество синтезируемого линейного напряжения может быть еще существенно улучшено даже в сравнении с вариантами схемы изображенной на Фиг. 5.The basic version of the circuit of an asymmetric cascade frequency converter powered by DC voltage sources 6-1 ÷ 6 - ((M-1) ⋅N) (Fig. 4) can be performed using single-phase voltage inverters 7-1 ÷ 7-N and sources constant voltage 6-1 ÷ 6 - ((M-1) ⋅N) performed at different voltage levels. In this case, the quality of the synthesized linear voltage at the output of the single-ended circuit of the cascade frequency converter can be significantly improved. Among other things, the basic options for the circuit of an asymmetric cascade frequency converter powered by DC voltage sources 6-1 ÷ 6 - ((M-1) ⋅N) (Fig. 4) can be implemented on the basis of single-phase voltage inverters 7-1 ÷ 7- N, made: on multi-level voltage inverters, assembled according to the zero-point circuit (Fig. 6), or on multi-level voltage inverters, assembled according to the T-shaped circuit of the voltage inverter (Fig. 7). With such a circuit implementation of the single-ended circuit of the cascade frequency converter, the quality of the synthesized line voltage can be significantly improved even in comparison with the variants of the circuit shown in FIG. five.
Более подробно рассмотрим способы увеличения числа уровней синтезируемого линейного напряжения на выходе несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты и, как следствие, возможность повышения качества синтезируемого линейного напряжения и токов в нагрузке.Let us consider in more detail the methods of increasing the number of levels of the synthesized line voltage at the output of the single-ended circuit of the cascade frequency converter and, as a consequence, the possibility of improving the quality of the synthesized line voltage and currents in the load.
Повышение качества синтезируемого линейного напряжения на выходе несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты может быть достигнуто:Improving the quality of the synthesized line voltage at the output of the single-ended circuit of a cascade frequency converter can be achieved:
I. последовательным соединением однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N на основе многоуровневых однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N в фазах 5-1÷5-М несимметричного каскадного преобразователя частоты;I. series connection of single-phase voltage inverters 7-1 ÷ 7-N based on multilevel single-phase voltage inverters 7-1 ÷ 7-N in phases 5-1 ÷ 5-M asymmetric cascade frequency converter;
II. последовательным соединением однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N на основе многоуровневых однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N в фазах 5-1÷5-М несимметричного каскадного преобразователя частоты при использовании дифференцированного напряжения питания от многоуровневых источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N);II. series connection of single-phase voltage inverters 7-1 ÷ 7-N based on multilevel single-phase voltage inverters 7-1 ÷ 7-N in phases 5-1 ÷ 5-M of an asymmetric cascade frequency converter using a differentiated supply voltage from multilevel DC voltage sources 6- 1 ÷ 6 - ((M-1) ⋅N);
III. последовательным соединением однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N на основе многоуровневых однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N в фазах 5-1÷5-М несимметричного каскадного преобразователя частоты с дифференцированным уровнем напряжения питания от многоуровневых источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N) с возможностью суммирования и вычитания напряжений однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N.III. series connection of single-phase voltage inverters 7-1 ÷ 7-N based on multilevel single-phase voltage inverters 7-1 ÷ 7-N in phases 5-1 ÷ 5-M of an asymmetric cascade frequency converter with a differentiated supply voltage level from multilevel DC voltage sources 6- 1 ÷ 6 - ((M-1) ⋅N) with the possibility of summing and subtracting the voltages of single-phase voltage inverters 7-1 ÷ 7-N.
Предложенные варианты повышения качества синтезируемого линейного напряжения расположены по мере увеличения максимального количества уровней в синтезируемом линейном напряжении на выходе несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты и усложнению как структуры, схемотехники так и алгоритмов управления такими схемами на основе несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты.The proposed options for improving the quality of the synthesized line voltage are located as the maximum number of levels in the synthesized line voltage at the output of the single-ended circuit of the cascade frequency converter increases and the complexity of both the structure, circuitry and control algorithms of such circuits based on the asymmetric circuit of the cascade frequency converter becomes more complicated.
I. При последовательном соединений L-уровневых однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N с одинаковым уровнем напряжения питания от многоуровневых источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N) и суммированием их выходных напряжений в фазах 5-1÷5-(М-1) несимметричного каскадного преобразователя частоты максимально возможное число уровней F синтезируемого линейного напряжения равно:I. With series connections of L-level single-phase voltage inverters 7-1 ÷ 7-N with the same supply voltage level from multilevel DC voltage sources 6-1 ÷ 6 - ((M-1) ⋅N) and summing their output voltages in phases 5-1 ÷ 5- (M-1) single-ended cascade frequency converter the maximum possible number of levels F of the synthesized line voltage is:
При этом максимальное значение напряжения на выходе каждого однофазного инвертора напряжения 7-1 (7-2÷7-N) должно быть:In this case, the maximum value of the voltage at the output of each single-phase voltage inverter 7-1 (7-2 ÷ 7-N) should be:
где i=1…N - номер однофазного инвертора напряжения 7-1 (7-2÷7-N) группы электрических преобразователей 4-1 (4-2÷4-(М-1)) фазы 5-1÷5-(М-1) несимметричного каскадного преобразователя частоты, umax - максимальное значение напряжения выходной фазы 5-1÷5-(М-1) несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты.where i = 1 ... N is the number of a single-phase voltage inverter 7-1 (7-2 ÷ 7-N) of a group of electrical converters 4-1 (4-2 ÷ 4- (M-1)) phases 5-1 ÷ 5- ( M-1) asymmetric cascade frequency converter, u max is the maximum voltage value of the output phase 5-1 ÷ 5- (M-1) of the asymmetric circuit of the cascade frequency converter.
На Фиг. 12 представлен результат синтеза выходного линейного синусоидального напряжения путем суммирования напряжений двух (N=2) трехуровневых (L=3) однофазных инверторов напряжения 7-1 (7-2÷7-N), имеющих одинаковое напряжение питания от источников постоянного напряжения 6-1÷6-((М-1)⋅N).FIG. 12 shows the result of the synthesis of the output linear sinusoidal voltage by summing the voltages of two (N = 2) three-level (L = 3) single-phase voltage inverters 7-1 (7-2 ÷ 7-N), having the same supply voltage from constant voltage sources 6-1 ÷ 6 - ((M-1) ⋅N).
II. При последовательном соединений L-уровневых однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N с дифференцированным уровнем напряжения питания от многоуровневых источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N) и суммированием их выходных напряжений в фазах 5-1÷5-(М-1) несимметричного каскадного преобразователя частоты максимально возможное число уровней F синтезируемого линейного напряжения равно:II. With series connections of L-level single-phase voltage inverters 7-1 ÷ 7-N with a differentiated supply voltage level from multilevel DC voltage sources 6-1 ÷ 6 - ((M-1) ⋅N) and summing their output voltages in phases 5- 1 ÷ 5- (M-1) single-ended cascade frequency converter the maximum possible number of levels F of the synthesized line voltage is:
В каждом L-уровневом однофазном инверторе напряжения 7-1 (7-2÷7-N) реализуется 2⋅L-1 уровень напряжения. Тогда минимальный по модулю уровень напряжения, синтезируемого в L-уровневом однофазном инверторе напряжения 7-1 (7-2÷7-N) с номером i, должен быть равен:In each L-level single-phase voltage inverter 7-1 (7-2 ÷ 7-N), a 2⋅L-1 voltage level is realized. Then the minimum modulo voltage level synthesized in the L-level single-phase voltage inverter 7-1 (7-2 ÷ 7-N) with number i should be equal to:
где umax - максимальное значение напряжения выходной фазы 5-1÷5-(М-1) несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты.where u max is the maximum value of the voltage of the output phase 5-1 ÷ 5- (M-1) of the asymmetric circuit of the cascade frequency converter.
При этом однофазный инвертор напряжения 7-1 (7-2÷7-N) должен формировать значения напряжений на своем выходе отIn this case, a single-phase voltage inverter 7-1 (7-2 ÷ 7-N) must form the voltage values at its output from
На Фиг. 13 представлен результат синтеза выходного линейного синусоидального напряжения путем суммирования напряжений двух (N=2) трехуровневых (L=3) однофазных инверторов напряжения 7-1 (7-2÷7-N), имеющих дифференцированные напряжения питания от источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N).FIG. 13 shows the result of the synthesis of the output linear sinusoidal voltage by summing the voltages of two (N = 2) three-level (L = 3) single-phase voltage inverters 7-1 (7-2 ÷ 7-N), having differentiated supply voltages from constant voltage sources 6-1 ÷ 6 - ((M-1) ⋅N).
III. При последовательном соединений L-уровневых однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N с дифференцированным уровнем напряжения питания от многоуровневых источников постоянного напряжения 6-1÷6-((M-1)⋅N), с суммированием и вычитанием выходных напряжений ячеек в фазах 5-1+5-(М-1) несимметричного каскадного преобразователя частоты максимально возможное число уровней F синтезируемого линейного напряжения равно:III. With series connections of L-level single-phase voltage inverters 7-1 ÷ 7-N with a differentiated supply voltage level from multilevel DC voltage sources 6-1 ÷ 6 - ((M-1) ⋅N), with the summation and subtraction of the output voltages of the cells in phases 5-1 + 5- (M-1) of an asymmetric cascade frequency converter, the maximum possible number of levels F of the synthesized line voltage is:
В каждом L-уровневом однофазном инверторе напряжения 7-1 (7-2÷7-N) реализуется 2⋅L-1 уровень напряжения. Тогда минимальный по модулю уровень напряжения, синтезируемого в L-уровневом однофазном инверторе напряжения 7-1 (7-2÷7-N) с номером i, должен быть равен:In each L-level single-phase voltage inverter 7-1 (7-2 ÷ 7-N), a 2⋅L-1 voltage level is realized. Then the minimum modulo voltage level synthesized in the L-level single-phase voltage inverter 7-1 (7-2 ÷ 7-N) with number i should be equal to:
где umax - максимальное значение напряжения выходной фазы 5-1÷5-(М-1) несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты.where u max is the maximum value of the voltage of the output phase 5-1 ÷ 5- (M-1) of the asymmetric circuit of the cascade frequency converter.
При этом однофазный инвертор напряжения 7-1 (7-2÷7-N) должен формировать значения напряжений на своем выходе отIn this case, a single-phase voltage inverter 7-1 (7-2 ÷ 7-N) must form the voltage values at its output from
На Фиг. 14 представлен результат синтеза выходного линейного синусоидального напряжения путем суммирования и вычитания напряжений двух (N=2) трехуровневых (L=3) однофазных инверторов напряжения 7-1 (7-2÷7-N), имеющих дифференцированные напряжения питания от источников постоянного напряжения 6-1÷6-((М-1)⋅N).FIG. 14 shows the result of the synthesis of the output linear sinusoidal voltage by summing and subtracting the voltages of two (N = 2) three-level (L = 3) single-phase voltage inverters 7-1 (7-2 ÷ 7-N), having differentiated supply voltages from constant voltage sources 6 -1 ÷ 6 - ((M-1) ⋅N).
На Фиг. 15 представлено количественное сравнение различных рассмотренных вариантов повышения качества синтезируемого линейного напряжения несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты в зависимости от числа однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N для (N=1…3) и их схемотехнической реализации или топологии (L=2 или 3) в фазах 5-1÷5-(М-1) несимметричного каскадного преобразователя частоты.FIG. 15 presents a quantitative comparison of various considered options for improving the quality of the synthesized line voltage of an asymmetric circuit of a cascade frequency converter, depending on the number of single-phase voltage inverters 7-1 ÷ 7-N for (N = 1 ... 3) and their circuit implementation or topology (L = 2 or 3) in phases 5-1 ÷ 5- (M-1) of an asymmetric cascade frequency converter.
На Фиг. 16 изображена гистограмма, построенная по таблице Фиг. 12, которая наиболее наглядно показывает связь максимально возможного количества уровней синтезируемого линейного напряжения в зависимости от способа повышения качества напряжения и числа однофазных инверторов напряжения 7-1÷7-N в группах электрических преобразователей 4-1÷4-(М-1) фаз 5-1÷5-(М-1) несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты.FIG. 16 depicts a histogram plotted according to the table of FIG. 12, which most clearly shows the relationship of the maximum possible number of levels of the synthesized line voltage depending on the method of increasing the voltage quality and the number of single-phase voltage inverters 7-1 ÷ 7-N in groups of electrical converters 4-1 ÷ 4- (M-1) phases 5 -1 ÷ 5- (M-1) single-ended circuit of the cascade frequency converter.
Таким образом, отличительной особенностью предложенной схемы является использование всего (M-1)⋅N элементарных ячеек М-фазной схемы несимметричного каскадного преобразователя частоты по сравнению со схемой классического симметричного каскадного преобразователя частоты. При этом предложенная схема несимметричного каскадного преобразователя частоты позволяет получать абсолютно такие же функциональные возможности присущие схеме классического симметричного каскадного преобразователя частоты. Кроме всего предложенная схема несимметричного каскадного преобразователя частоты характеризуется простотой и универсальностью с использованием стандартных серийно выпускаемых комплектующих изделии, высокими показателями качества выходного напряжения и может быть использована в качестве устройства регулирования момента, скорости или мощности на валу любой электрической машиной переменного тока. Кроме всего предложенная схема и алгоритмы управления могут быть использованы в аварийных режимах в случае отказа одной из фаз (групп электрических преобразователей) классической схемы симметричного каскадного преобразователя частоты. Предложенная схема значительно повышает надежность и живучесть электропривода на основе каскадного преобразователя частоты и позволит оставаться ему в работе при ограничении наложенных на выходные параметры электрического преобразователя. Кроме всего прочего при построении несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты может быть использован бестрансформаторный вариант питания элементарных ячеек, с использованием гальванически развязанных источников питания, что также благоприятно отразится на массогабаритных и энергетических характеристиках всего электропривода. Такое схемное решение наиболее просто реализуется в автономных электроэнергетических системах, например, электродвижительных комплексах судов, для которых как раз очень важны массогабаритные и энергетических характеристики.Thus, a distinctive feature of the proposed circuit is the use of all (M-1) ⋅N elementary cells of the M-phase circuit of an asymmetric cascade frequency converter in comparison with the circuit of a classical symmetrical cascade frequency converter. In this case, the proposed scheme of an asymmetric cascade frequency converter allows you to obtain absolutely the same functionality inherent in the scheme of a classical symmetrical cascade frequency converter. In addition, the proposed scheme of an asymmetric cascade frequency converter is characterized by simplicity and versatility using standard commercially available components, high quality output voltage and can be used as a device for controlling the torque, speed or power on the shaft of any AC electric machine. In addition, the proposed scheme and control algorithms can be used in emergency modes in case of failure of one of the phases (groups of electrical converters) of the classical scheme of a symmetric cascade frequency converter. The proposed scheme significantly increases the reliability and survivability of an electric drive based on a cascade frequency converter and will allow it to remain in operation with restrictions imposed on the output parameters of the electric converter. Among other things, when constructing an asymmetric circuit of a cascade frequency converter, a transformerless version of power supply of elementary cells can be used, using galvanically isolated power supplies, which will also have a favorable effect on the weight, size and energy characteristics of the entire electric drive. Such a schematic solution is most easily implemented in autonomous electric power systems, for example, electromotive complexes of ships, for which the weight, size and energy characteristics are very important.
Предложенные схемы и алгоритмы управления несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты обладают широчайшими потенциальными возможностями в части улучшения качества синтезируемого напряжения, улучшения энергетической и электромагнитной совместимостей несимметричной схемы каскадного преобразователя частоты с питающей сетью и нагрузкой и т.д. Предложенные схемные решения и алгоритмы управления повышения качества синтезируемого напряжения схемой несимметричного каскадного преобразователя частоты открывают качественно новые технические возможности по синтезу выходного напряжения высокого качества.The proposed circuits and control algorithms for the single-ended circuit of the cascade frequency converter have the broadest potential in terms of improving the quality of the synthesized voltage, improving the energy and electromagnetic compatibility of the single-ended circuit of the cascade frequency converter with the mains and load, etc. The proposed circuit solutions and control algorithms for improving the quality of the synthesized voltage by the circuit of an asymmetric cascade frequency converter open up qualitatively new technical possibilities for the synthesis of high quality output voltage.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020122636A RU2750582C1 (en) | 2020-07-03 | 2020-07-03 | Unsymmetrical circuit of cascade frequency converter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020122636A RU2750582C1 (en) | 2020-07-03 | 2020-07-03 | Unsymmetrical circuit of cascade frequency converter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2750582C1 true RU2750582C1 (en) | 2021-06-29 |
Family
ID=76820193
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020122636A RU2750582C1 (en) | 2020-07-03 | 2020-07-03 | Unsymmetrical circuit of cascade frequency converter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2750582C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0692211A1 (en) * | 1994-07-14 | 1996-01-17 | Mawa Metallwarenfabrik Wagner Gmbh | Clothes hanger, having adjustable width |
| US5598328A (en) * | 1992-11-27 | 1997-01-28 | Telemecanique | Filter module for a frequency converter |
| US5625545A (en) * | 1994-03-01 | 1997-04-29 | Halmar Robicon Group | Medium voltage PWM drive and method |
| RU2414043C1 (en) * | 2010-03-26 | 2011-03-10 | Георгий Маркович Мустафа | Non-transformer frequency converter for controlled medium voltage electric drive |
-
2020
- 2020-07-03 RU RU2020122636A patent/RU2750582C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5598328A (en) * | 1992-11-27 | 1997-01-28 | Telemecanique | Filter module for a frequency converter |
| US5625545A (en) * | 1994-03-01 | 1997-04-29 | Halmar Robicon Group | Medium voltage PWM drive and method |
| EP0692211A1 (en) * | 1994-07-14 | 1996-01-17 | Mawa Metallwarenfabrik Wagner Gmbh | Clothes hanger, having adjustable width |
| RU2414043C1 (en) * | 2010-03-26 | 2011-03-10 | Георгий Маркович Мустафа | Non-transformer frequency converter for controlled medium voltage electric drive |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6236580B1 (en) | Modular multi-level adjustable supply with series connected active inputs | |
| Rodríguez et al. | High-voltage multilevel converter with regeneration capability | |
| Tolbert et al. | Multilevel PWM methods at low modulation indices | |
| JP4221207B2 (en) | Circuit equipment | |
| Dixon et al. | High-level multistep inverter optimization using a minimum number of power transistors | |
| CN108352777B (en) | Medium voltage hybrid multilevel converter and method for controlling a medium voltage hybrid multilevel converter | |
| Pramanick et al. | Low-order harmonic suppression for open-end winding IM with dodecagonal space vector using a single DC-link supply | |
| Kaarthik et al. | Medium-voltage drive for induction machine with multilevel dodecagonal voltage space vectors with symmetric triangles | |
| RU185666U1 (en) | MULTI-PHASE VESSEL ELECTRIC MOVEMENT SYSTEM | |
| JPH01222664A (en) | Method of operating ac driving apparatus with parallel dc link power converter | |
| Dabour et al. | A new dual series-connected Nine-Switch Converter topology for a twelve-phase induction machine wind energy system | |
| Debnath et al. | A multilevel inverter for instantaneous voltage balancing of single sourced stacked dc-link capacitors for an induction motor load | |
| JP2012222999A (en) | Power conversion device and power conversion device group system | |
| RU2668416C1 (en) | Three-level frequency converter | |
| JPS62233069A (en) | Motor controller | |
| RU2750582C1 (en) | Unsymmetrical circuit of cascade frequency converter | |
| Cardoso et al. | Evolution and development prospects of electric propulsion systems of large sea ships | |
| RU2735323C2 (en) | Cascade frequency converter | |
| RU181202U1 (en) | VEHICLE MOTION SYSTEM | |
| Fujita | Emerging technologies for multilevel converters in Japan | |
| RU187809U1 (en) | MULTI-PHASE SYSTEM OF ELECTRIC MOTION OF VESSELS WITH A SWITCH IN NEUTRAL | |
| RU2686475C1 (en) | Frequency converter with asymmetric inverter circuit | |
| RU2767491C1 (en) | Cascade frequency converter with increased number of output voltage levels | |
| Bhardwaj et al. | Performance analysis of SPRS-based induction motor drive using multi-level inverter and buck-boost chopper | |
| RU2204880C2 (en) | Off-line multilevel phase voltage inverter |