RU2771617C1 - Single-phase inverter with pulse-amplitude modulation - Google Patents
Single-phase inverter with pulse-amplitude modulation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2771617C1 RU2771617C1 RU2021120721A RU2021120721A RU2771617C1 RU 2771617 C1 RU2771617 C1 RU 2771617C1 RU 2021120721 A RU2021120721 A RU 2021120721A RU 2021120721 A RU2021120721 A RU 2021120721A RU 2771617 C1 RU2771617 C1 RU 2771617C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inverter
- transistor
- switch
- voltage
- diode
- Prior art date
Links
- 230000000051 modifying Effects 0.000 title claims abstract 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 24
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области силовой электроники и предназначено для генерации напряжения с низким содержанием гармонических составляющих.The invention relates to the field of power electronics and is intended to generate voltage with a low content of harmonic components.
Известен многоуровневый инвертор напряжения с плавающими конденсаторами [1], включающий цепочку последовательно соединенных силовых ключей с обратными шунтирующими диодами и набор независимых конденсаторов, попарно шунтирующих силовые ключи, что обеспечивает низкие коммутационные потери. Недостатками данного инвертора являются высокие массогабаритные показатели и стоимость инвертора из-за наличия в схеме большого количества конденсаторов.Known multi-level voltage inverter with floating capacitors [1], including a chain of series-connected power switches with reverse shunt diodes and a set of independent capacitors, pairwise shunting power switches, which ensures low switching losses. The disadvantages of this inverter are high weight and size and the cost of the inverter due to the presence of a large number of capacitors in the circuit.
Также известен многоуровневый инвертор напряжения с фиксирующими диодами [2]. Данный инвертор обладает более низкими по сравнению с инвертором с плавающими конденсаторами массогабаритными показателями и стоимостью, но имеет большие коммутационные потери.A multilevel voltage inverter with clamping diodes is also known [2]. This inverter has lower weight, size and cost compared to the inverter with floating capacitors, but has large switching losses.
Также известен многоуровневый каскадный мостовой инвертор напряжения, состоящий из последовательно соединенных однофазных мостов [3]. Каждый мост имеет отдельный источник постоянного напряжения и состоит из четырех силовых управляемых ключей с обратными шунтирующими диодами. Недостатками такого инвертора являются большие аппаратные затраты и значительные коммутационные потери из-за наличия большого количества силовых ключей.Also known is a multilevel cascade bridge voltage inverter, consisting of series-connected single-phase bridges [3]. Each bridge has a separate DC voltage source and consists of four power controlled switches with reverse shunt diodes. The disadvantages of such an inverter are high hardware costs and significant switching losses due to the presence of a large number of power switches.
Известен также восьмиуровневый однофазный инвертор напряжения [4]. Недостатками такого инвертора являются повышенные аппаратные затраты из-за необходимости иметь три гальванически развязанных источника постоянного напряжения.Also known eight-level single-phase voltage inverter [4]. The disadvantages of such an inverter are increased hardware costs due to the need to have three galvanically isolated DC voltage sources.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является инвертор, состоящий из коммутатора и моста, схема которого представлена на рис. 8.146 в работе [5]. Коммутатор включает n ячеек, каждая из которых содержит источник постоянного напряжения с конденсатором на выходе и транзистор, шунтированный обратным диодом и включенный в проводящем направлении по отношению к источнику питания. Кроме того, коммутатор содержит n ключей переменного тока, каждый из которых шунтирует свою ячейку и позволяет работать на активно-индуктивную нагрузку. Данный инвертор может обеспечивать большее число уровней выходного напряжения относительно рассмотренных выше схем при равном числе источников постоянного напряжения.Closest to the proposed invention is an inverter consisting of a switch and a bridge, the diagram of which is shown in Fig. 8.146 in [5]. The switch includes n cells, each of which contains a constant voltage source with a capacitor at the output and a transistor shunted by a reverse diode and connected in a conductive direction with respect to the power source. In addition, the switch contains n AC switches, each of which shunts its cell and allows you to work on an active-inductive load. This inverter can provide more output voltage levels than the circuits discussed above with an equal number of DC voltage sources.
Однако представленная схема инвертора характеризуется избыточными аппаратными затратами, вызванными необходимостью иметь n источников постоянного напряжения для получения многоступенчатой кривой выходного напряжения, а также использованием в схеме ключей переменного тока. Аппаратные затраты особенно значительно возрастают, если в качестве источников постоянного напряжения используются выпрямители, которые, к тому же, должны быть гальванически развязаны. Кроме того, в работе не приведены временные диаграммы работы ключей, и отсутствуют сведения о качестве генерируемого напряжения.However, the presented inverter circuit is characterized by excessive hardware costs caused by the need to have n constant voltage sources to obtain a multi-stage output voltage curve, as well as the use of alternating current switches in the circuit. Hardware costs increase especially significantly if rectifiers are used as sources of constant voltage, which, moreover, must be galvanically isolated. In addition, the work does not show the timing diagrams of the operation of the keys, and there is no information about the quality of the generated voltage.
Задача настоящего изобретения заключается в уменьшении аппаратных затрат и стоимости инвертора напряжения с близкой к синусоидальной форме кривой ступенчатого выходного напряжения.The object of the present invention is to reduce the hardware and cost of a voltage inverter with a near-sinusoidal stepped output voltage curve.
Поставленная задача решается заменой n источников переменного напряжения одним источником с включенным с ним последовательно в проводящем направлении диодом и реактором, причем минусовой вывод источника питания соединен с минусовой шиной инверторного моста, а плюсовой вывод через реактор, диод и транзистор - с плюсовой шиной инвертора. Кроме того, достижение поставленной цели обеспечивается заменой ключей переменного тока транзисторами, шунтированными обратными диодами и подключенными каждый параллельно и противофазно одной из ячеек коммутатора.The problem is solved by replacing n AC voltage sources with one source with a diode and a reactor connected in series with it in the conductive direction, and the negative output of the power source is connected to the negative bus of the inverter bridge, and the positive output through the reactor, diode and transistor is connected to the positive bus of the inverter. In addition, the achievement of this goal is ensured by replacing the alternating current switches with transistors shunted with reverse diodes and each connected in parallel and out of phase with one of the switch cells.
Сущность изобретения поясняется чертежами: на Фиг. 1 представлена схема инвертора, генерирующего напряжение ступенчатой формы, имеющее 8 уровней на полупериоде, считая нулевой уровень, на Фиг. 2 - эпюра выходного напряжения инвертора, на Фиг. 3 - временные диаграммы управления ключами инвертора.The essence of the invention is illustrated by drawings: Fig. 1 is a diagram of an inverter generating a step-shaped voltage having 8 levels per half-cycle, counting the zero level, FIG. 2 is a plot of the output voltage of the inverter, in FIG. 3 - timing diagrams of inverter key control.
Инвертор напряжения содержит:The voltage inverter contains:
- коммутатор 1, состоящий из трех последовательно соединенных ячеек, каждая из которых включает последовательно соединенный конденсатор (4, 5 или 6) и, соответственно, транзистор (7, 8 или 9) с обратным шунтирующим диодом (13, 14 или 15), а также транзисторов 10, 11, 12 с обратными шунтирующими диодами 16, 17, 18, включенных параллельно соответствующей ячейке в обратном направлении по отношению к транзисторам 7, 8 и 9 соответственно;- switch 1, consisting of three series-connected cells, each of which includes a series-connected capacitor (4, 5 or 6) and, accordingly, a transistor (7, 8 or 9) with a reverse shunt diode (13, 14 or 15), and also transistors 10, 11, 12 with
- однофазный мостовой инвертор 2 с нагрузкой 3 на выходе, состоящий из транзисторов 19-22, шунтированных обратными диодами 23-26, шины питания которого подключены к выходам коммутатора;- single-
- единственный источник постоянного напряжения 27, подключенный через реактор 28, диод 29 и транзистор 9 с обратным диодом 15 последней ячейки коммутатора к шинам питания инверторного моста 2.- the only constant voltage source 27 connected through the
На временных диаграммах управления ключами Фиг. 3 буквами а, b, с, d, е и f обозначены соответственно управляющие сигналы транзисторов 7, 10, 8, 11, 9 и 12 коммутатора 1, а буквами g и h - управляющие сигналы пар тиристоров 19, 22 и 20, 21 моста 2 соответственно. Углы коммутации транзисторов 7-12 выбраны, исходя из критерия минимизации коэффициента гармонических составляющих выходного напряжения инвертора. Из диаграмм Фиг. 3 видно, что транзисторы 7 и 10, 8 и 11, 9 и 12 работают противофазно, и частоты их коммутации различаются.In the key management timing diagrams of FIG. 3, the letters a, b, c, d, e and f respectively indicate the control signals of
Заряд конденсаторов инвертора 4, 5 и 6 происходит от источника 27 через реактор 28 и диод 29. Емкости конденсаторов подбираются из условия получения уровней ступеней, необходимых для минимизации коэффициента гармоник выходного напряжения инверторного моста.
Процесс функционирования устройства рассмотрим на примере второй четверти периода работы инвертора, когда напряжение, прикладываемое к нагрузке, снижается, что приводит к необходимости возврата реактивной энергии, накопленной в индуктивной части нагрузки, конденсаторам 4, 5 и 6. На первой четверти периода коммутация происходит в обратном порядке (Фиг. 2).Let us consider the device operation process using the example of the second quarter of the inverter operation period, when the voltage applied to the load decreases, which leads to the need to return the reactive energy accumulated in the inductive part of the load to
В интервале 71-109 градусов открыты транзисторы 7, 8, 9. В результате ко входам инверторного моста 2 прикладывается суммарное напряжение конденсаторов 4, 5 и 6, формируя наибольшую восьмую ступень выходного напряжения.In the range of 71-109 degrees,
В интервале 109-123 градуса открыты транзисторы 8 и 9, а транзистор 7 закрыт. В результате ко входам инверторного моста 2 прикладывается суммарное напряжение конденсаторов 5 и 6, формируя седьмую ступень выходного напряжения. Возврат реактивной мощности, накопленной в индуктивной части нагрузки на предыдущем интервале, осуществляется конденсаторам 5 и 6 через диоды 15 и 14 и открытый транзистор 10.In the range of 109-123 degrees,
В интервале 123-136 градусов открыты транзисторы 7 и 9, обеспечивая приложение к инверторному мосту суммарного напряжения конденсаторов 4 и 6, что формирует шестую ступень выходного напряжения. Возврат реактивных токов нагрузки в конденсаторы 4 и 6 осуществляется через включенный транзистор 11 и диоды 13 и 15.In the range of 123-136 degrees,
В интервале 136-148 градусов включен транзистор 9, и выключены транзисторы 7 и 8. Таким образом, ко входу инверторного моста 2 прикладывается напряжение конденсатора 6, формируя пятую ступень выходного напряжения. Возврат реактивной мощности нагрузки в конденсатор 6 обеспечивается открытыми транзисторами 10 и 11 и диодом 15.In the range of 136-148 degrees,
В интервале 148-159 градусов ко входу инверторного моста 2 подключены напряжения конденсаторов 4 и 5 через открытые транзисторы 7 и 8 и диод 18. Таким образом, формируется четвертая ступень выходного напряжения. Для возврата реактивной мощности нагрузки в этом интервале остается открытым транзистор 12.In the range of 148-159 degrees, the voltages of
В интервале 159-169 градусов выключен транзистор 7, и включен транзистор 8. В результате, ко входу инверторного моста через транзистор 8, диоды 16 и 18 прикладывается напряжение конденсатора 5, которое превышает напряжение на конденсаторе 4 в два раза, что обеспечивает формирование третьей ступени выходного напряжения. В этом же интервале открыты транзисторы 10 и 12, обеспечивая возврат накопленной в нагрузке реактивной энергии конденсатору 5.In the range of 159-169 degrees, transistor 7 is turned off, and transistor 8 is turned on. As a result, the voltage of capacitor 5 is applied to the input of the inverter bridge through transistor 8,
В интервале 169-178 градусов транзистор 7 открыт, а транзистор 10 выключен. В результате, напряжение конденсатора 4 через транзистор 7 и диоды 17 и 18 оказывается приложенным к мосту 2, формируя вторую ступень выходного напряжения инвертора. Транзисторы 11 и 12 в этом интервале также открыты, обеспечивая каналы для возврата реактивных токов нагрузки конденсатору 4 через диод 13.In the range of 169-178 degrees, transistor 7 is open, and transistor 10 is off. As a result, the voltage of the
В интервале 178-182 градуса транзисторы 7, 8, 9 выключены, а 10, 11, 12 включены. В результате к мосту 2 прикладывается нулевое напряжение, и циркуляция накопленной в индуктивной части нагрузки энергии осуществляется через соответствующие диоды 23 и 26 моста и транзисторы 12, 11 и 10. Таким образом, в интервале 0-2 градуса нагрузка оказывается закороченной указанными диодами.In the range of 178-182 degrees,
На втором полупериоде коммутация транзисторов 7-12 происходит в том же порядке, что и на первом полупериоде. Однако транзисторы 19, 22 моста 2 выключены, а транзисторы 20 и 21 - включены, благодаря чему на нагрузке формируется отрицательное напряжение.In the second half-cycle, the switching of transistors 7-12 occurs in the same order as in the first half-cycle. However, transistors 19, 22 of
Предложенная схема инвертора генерирует ступенчатое напряжение, имеющее 8 уровней на полу периоде, включая ступень нулевого уровня, что обеспечивает суммарный коэффициент гармонических составляющих 6,67% при учете всего диапазона составляющих спектра. Значения гармонических составляющих спектра выходного напряжения приведены в таблице 1.The proposed inverter circuit generates a step voltage that has 8 levels per half period, including a zero level step, which provides a total harmonic coefficient of 6.67%, taking into account the entire range of spectrum components. The values of the harmonic components of the output voltage spectrum are given in Table 1.
Таким образом, генерируемое напряжение удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 54149-2010 по гармоническому составу напряжения для электрических сетей низкого и среднего напряжения, за исключением гармоники 15, которую достаточно легко отфильтровать, учитывая ее высокую частоту.Thus, the generated voltage satisfies the requirements of GOST R 54149-2010 on the harmonic composition of the voltage for low and medium voltage electrical networks, with the exception of harmonic 15, which is quite easy to filter, given its high frequency.
Источники информацииInformation sources
1. Meynard Т., Lavieville J.-P., Carrere P., Gonzalez J., Bethoux О. Electronic circuit for converting electrical energy. U.S. Patent 5 706 188, January 1998.1. Meynard T., Lavieville J.-P., Carrere P., Gonzalez J., Bethoux O. Electronic circuit for converting electrical energy. U.S. Patent 5 706 188, January 1998.
2. Baker R.H. High-Voltage Converter Circuit. U.S. Patent 4 203 151, May 1980.2 Baker R.H. High-Voltage Converter Circuit. U.S.
3. Baker R.H. Electric Power Converter. U.S. Patent 3 867 643, February 1975.3. Baker R.H. Electric Power Converter.
4. Голембиовский Ю.М., Щербаков A.A. Однофазный инвертор со ступенчатым выходным напряжением; Патент на полезную модель RU 130159 U1 от 09.01.2013.4. Golembiovsky Yu.M., Shcherbakov A.A. Single-phase inverter with stepped output voltage; Utility model patent RU 130159 U1 dated 01/09/2013.
5. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи / B.C. Моин. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 376 с.5. Moin B.C. Stabilized transistor converters / B.C. Moin. - M.: Energoatomizdat, 1986. - 376 p.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2771617C1 true RU2771617C1 (en) | 2022-05-11 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2418977A1 (en) * | 1978-03-02 | 1979-09-28 | Labo Electronique Physique | UNIVERSAL INVERTER |
SU955460A1 (en) * | 1980-06-16 | 1982-08-30 | Киевский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.50-Летия Великой Октябрьской Социалистической Революции | Converting plant |
SU1046876A1 (en) * | 1979-06-25 | 1983-10-07 | Московский Ордена Ленина И Ордена Октябрьской Революции Энергетический Институт | Method of converting constant voltage to multister voltage |
SU1134999A1 (en) * | 1983-09-08 | 1985-01-15 | Предприятие П/Я А-1736 | D.c.voltage-to-stepwise a.c.voltage converter |
WO2019147144A1 (en) * | 2018-01-25 | 2019-08-01 | Riar Baljit Singh | A multi-level modular converter |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2418977A1 (en) * | 1978-03-02 | 1979-09-28 | Labo Electronique Physique | UNIVERSAL INVERTER |
SU1046876A1 (en) * | 1979-06-25 | 1983-10-07 | Московский Ордена Ленина И Ордена Октябрьской Революции Энергетический Институт | Method of converting constant voltage to multister voltage |
SU955460A1 (en) * | 1980-06-16 | 1982-08-30 | Киевский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.50-Летия Великой Октябрьской Социалистической Революции | Converting plant |
SU1134999A1 (en) * | 1983-09-08 | 1985-01-15 | Предприятие П/Я А-1736 | D.c.voltage-to-stepwise a.c.voltage converter |
WO2019147144A1 (en) * | 2018-01-25 | 2019-08-01 | Riar Baljit Singh | A multi-level modular converter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Sabyasachi et al. | Hybrid control technique-based three-phase cascaded multilevel inverter topology | |
Kavitha et al. | New cascaded H-bridge multilevel inverter topology with reduced number of switches and sources | |
Hosseini Montazer et al. | A generalized diode containing bidirectional topology for multilevel inverter with reduced switches and power loss | |
Hosseini et al. | Hybrid switched-capacitor 9-level boost inverter | |
Khan et al. | A comparative study of multilevel inverter typologies with reduced switches | |
Baier et al. | Current-source cascaded multilevel converters based on single-phase power cells | |
Reddy et al. | An asymmetrical multilevel inverter topology with reduced source count | |
RU2771617C1 (en) | Single-phase inverter with pulse-amplitude modulation | |
Khan et al. | An optimized phase shifted PWM for flying capacitor multilevel converter | |
Obara et al. | Multi-level topology based linear amplifier family for realization of noise-less inverters | |
Shahir et al. | 16-level basic topology for cascaded multilevel inverters with reduced number of components | |
RU130159U1 (en) | SINGLE-PHASE INVERTER WITH STEP-BY-STEP OUTPUT VOLTAGE | |
RU2686475C1 (en) | Frequency converter with asymmetric inverter circuit | |
Dangeti et al. | A cascaded converter using hybrid cells and H-bridge structure | |
Nieves-Portana et al. | Reduction of zero sequence components in three-phase transformerless multiterminal DC-link based on voltage source converters | |
Laali et al. | Capacitor based asymmetric cascaded multilevel inverter with capability of charge balance control methods | |
Agarwal et al. | IGBT based cyclo-inverter | |
Verma et al. | Study and Performance Analysis of Reduced Switch Count Asymmetric 31-Level Inverter | |
Kishore et al. | A Novel Three-Phase 13-Level Cascaded Hybrid-Module Based Multilevel Inverter with Level-Shifted PWM | |
Gao et al. | Pulse width modulated buck-boost five-level current source inverters | |
SU637931A1 (en) | Self-sustained voltage inverter | |
KRISHNA et al. | A Closed Loop Control of Hybrid Cascaded Multilevel Inverter Using Fundamental Modulation | |
RU2014719C1 (en) | Converter of d c voltage to three-phase quasi-sinusoidal voltage | |
Manikanta et al. | Enhanced topology based 9 level H-bridge inverter | |
RU2125335C1 (en) | Voltage converter and its control process |