RU2807324C1 - Single-phase five-level current inverter - Google Patents

Single-phase five-level current inverter Download PDF

Info

Publication number
RU2807324C1
RU2807324C1 RU2023116837A RU2023116837A RU2807324C1 RU 2807324 C1 RU2807324 C1 RU 2807324C1 RU 2023116837 A RU2023116837 A RU 2023116837A RU 2023116837 A RU2023116837 A RU 2023116837A RU 2807324 C1 RU2807324 C1 RU 2807324C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
current
load
unidirectional
additional
bridge
Prior art date
Application number
RU2023116837A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Викторович Овчаренко
Игорь Анатольевич Баховцев
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2807324C1 publication Critical patent/RU2807324C1/en

Links

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention can be used in variable AC electric drive systems and in secondary and autonomous power supply systems. A five-level current inverter contains two current sources, a typical single-phase bridge current inverter, four unidirectional fully controlled switches of which are a series connection of a transistor and a diode, as well as one similar additional unidirectional fully controlled switch and an additional diode. The load of the current inverter, to which a capacitor is connected in parallel, is connected between the middle points of the bridge arms, both current sources are connected with their negative pole to the negative bus of a single-phase bridge directly, and with their positive pole to the positive bus of the bridge, the second source is directly, and the first source is through an additional diode, the positive terminal of which is connected to the positive terminal of an additional unidirectional switch connected with its negative terminal to the common negative bus of the circuit, characterized in that a transistor is connected in series with the additional diode, converting this circuit into a unidirectional and fully controllable one.
EFFECT: ensuring the quality of the load current shape of a single-phase five-level current inverter over the entire range of changes in the parameters of the equivalent load.
1 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах регулируемого электропривода переменного тока и в системах вторичного и автономного электроснабжения. The invention relates to electrical engineering and can be used in variable AC electric drive systems and in secondary and autonomous power supply systems.

Известен пятиуровневый однофазный инвертор тока [Мальнев А.И., Баховцев И.А., Зиновьев Г.С. Обзор многоуровневых инверторов тока ветроэнергетических станций. - Известия Томского политехнического университета. - 2015. - Т. 326. - № 7. - Стр. 15-26]. Схема содержит источник тока, подключенный к двум однофазным мостам, параллельно работающим на одну нагрузку, которая подключается между общими средними точками стоек (плеч) мостов. В однофазных мостах в качестве однонаправленного полностью управляемого ключа используется транзистор с последовательно включенным диодом. К положительной и отрицательной шинам источника питания один мост подключается непосредственно, а второй - через соответствующие две индуктивности, выступающие в роли делителя тока источника тока. Таким образом через открытые ключи диагоналей каждого моста в нагрузку протекает половинный ток от источника тока. При соответствующем управлении в нагрузке можно получить 5 уровней тока: I, I/2, 0, - I/2, -I, где I - ток источника тока. В частности нулевой ток в нагрузке обеспечивается отпиранием ключей одной из стоек однофазных мостов, обеспечивая контур протекание тока источника тока, минуя нагрузку. A five-level single-phase current inverter is known [Malnev A.I., Bakhovtsev I.A., Zinoviev G.S. Review of multi-level current inverters for wind power stations. - News of Tomsk Polytechnic University. - 2015. - T. 326. - No. 7. - Page. 15-26]. The circuit contains a current source connected to two single-phase bridges operating in parallel on one load, which is connected between the common midpoints of the bridge racks (arms). In single-phase bridges, a transistor with a diode connected in series is used as a unidirectional fully controlled switch. One bridge is connected directly to the positive and negative buses of the power source, and the second - through the corresponding two inductances, which act as a current divider of the current source. Thus, half the current from the current source flows through the open switches of the diagonals of each bridge. With appropriate control, 5 current levels can be obtained in the load: I, I/2, 0, - I/2, -I, where I is the current source current. In particular, zero current in the load is ensured by unlocking the keys of one of the racks of single-phase bridges, ensuring that the current source current flows through the circuit, bypassing the load.

Недостатком данного пятиуровневого однофазного инвертора тока яв-ляется большое количество ключей, что приводит к сложной системе управ-ления и высоким коммутационным потерям.The disadvantage of this five-level single-phase current inverter is the large number of switches, which leads to a complex control system and high switching losses.

Наиболее близким решением к заявленному изобретению (прототипом) является пятиуровневый однофазный инвертор тока [Noguchi S. New H-Bridge Multilevel Current-Source PWM Inverter with Reduced Switching Device Count / S. Noguchi, T. Noguchi // The 2010 International Power Electronics Conference. - P. 103-107.], который содержит два источника тока, подключенные к однофазному мосту, однонаправленные полностью управляемые ключи которого представляют собой последовательное соединение транзистора и диода, а также дополнительный однонаправленный полностью управляемый ключ. Нагрузка инвертора тока, к которой параллельно подключен конденсатор, включена между средними точками плеч моста. Оба источника тока своим минусовым полюсом подключены к минусовой шине однофазного моста непосредственно, а плюсовым полюсом к плюсовой шине моста второй источник подключается прямо, а первый - через дополнительный диод. Кроме того, анод упомянутого диода также подключен к положительному выводу дополнительного однонаправленного ключа, подключенного своим вторым отрицательным выводом к общей минусовой шине схемы.The closest solution to the claimed invention (prototype) is a five-level single-phase current inverter [Noguchi S. New H-Bridge Multilevel Current-Source PWM Inverter with Reduced Switching Device Count / S. Noguchi, T. Noguchi // The 2010 International Power Electronics Conference. - P. 103-107.], which contains two current sources connected to a single-phase bridge, the unidirectional fully controlled switches of which are a series connection of a transistor and a diode, as well as an additional unidirectional fully controlled switch. The load of the current inverter, to which the capacitor is connected in parallel, is connected between the midpoints of the bridge arms. Both current sources are connected directly with their negative pole to the negative bus of a single-phase bridge, and with their positive pole the second source is connected directly to the positive bus of the bridge, and the first through an additional diode. In addition, the anode of the said diode is also connected to the positive terminal of an additional unidirectional switch, connected with its second negative terminal to the common negative bus of the circuit.

Недостатком упомянутого пятиуровневого однофазного мостового инвертора тока, является то, что схема адекватно работает только при активном характере эквивалентной для инвертора тока нагрузке. Это обеспечивается при компенсации реактивной мощности, в общем случае, активно-индуктивной нагрузки параллельно подключенным к ней конденсатором. В случае же недокомпенсации или перекомпенсации имеет место искаженная форма выходного тока инвертора и, соответственно, форма напряжения и тока нагрузки. Причиной этого является неуправляемая цепь с дополнительным диодом, через который ток первого источника тока может поступать в нагрузку самопроизвольно на интервалах сдвига фаз между выходным током инвертора и напряжением нагрузки. Огибающая импульсного напряжения в звене постоянного тока (между шинами моста), к которому катодом подключен дополнительный диод, определяется напряжением на конденсаторе, подключенном параллельно активно-индуктивной нагрузке. Так как напряжение на нем отстает от выходного тока инвертора при перекомпенсации (опережает при недокомпенсации), то в начале (в конце), например, отрицательной полуволны выходного тока оно (напряжение) в течение интервала времени, равному сдвигу фаз, остается положительным. Но в звене постоянного тока, поскольку уже работает другая диагональ моста, этот участок напряжения конденсатора становится отрицательным и дополнительный диод, естественно, открывается, что и приводит на этом интервале к упомянутым искажениям. The disadvantage of the mentioned five-level single-phase bridge current inverter is that the circuit operates adequately only when the load equivalent to the current inverter is active. This is ensured by compensating reactive power, in the general case, of an active-inductive load in parallel with a capacitor connected to it. In the case of undercompensation or overcompensation, there is a distorted shape of the inverter output current and, accordingly, the shape of the load voltage and current. The reason for this is an uncontrolled circuit with an additional diode, through which the current of the first current source can flow spontaneously into the load at phase shift intervals between the inverter output current and the load voltage. The envelope of the pulse voltage in the DC link (between the bridge buses), to which an additional diode is connected as the cathode, is determined by the voltage on the capacitor connected in parallel with the active-inductive load. Since the voltage on it lags behind the output current of the inverter during overcompensation (advances during undercompensation), then at the beginning (at the end), for example, of a negative half-wave of the output current, it (voltage) remains positive for a time interval equal to the phase shift. But in the DC link, since another diagonal of the bridge is already working, this section of the capacitor voltage becomes negative and the additional diode naturally opens, which leads to the mentioned distortions in this interval.

Технический результат предлагаемого изобретения - обеспечение качества формы тока нагрузки однофазного пятиуровневого инвертора тока во всем диапазоне изменения параметров эквивалентной нагрузки. The technical result of the proposed invention is to ensure the quality of the load current shape of a single-phase five-level current inverter over the entire range of changes in the parameters of the equivalent load.

Это достигается тем, что в пятиуровневом инверторе тока, содержащем два источника тока, типовой однофазный мостовой инвертор тока, четыре однонаправленных полностью управляемых ключа которого представляют собой последовательное соединение транзистора и диода, а также один аналогичный дополнительный однонаправленный полностью управляемый ключ и дополнительный диод, причем, нагрузка инвертора тока, к которой параллельно подключен конденсатор, включена между средними точками плеч моста, оба источника тока своим минусовым полюсом подключены к минусовой шине однофазного моста непосредственно, а плюсовым полюсом к плюсовой шине моста второй источник прямо, а первый источник - через дополнительный диод, положительный вывод которого подключен к положительному выводу дополнительного однонаправленного ключа, подключенного своим отрицательным выводом к общей минусовой шине схемы, в цепь с дополнительным диодом последовательно включен транзистор, преобразующий данную цепь в однонаправленную и полностью управляемую.This is achieved by the fact that in a five-level current inverter containing two current sources, a typical single-phase bridge current inverter, four unidirectional fully controlled switches of which are a series connection of a transistor and a diode, as well as one similar additional unidirectional fully controlled switch and an additional diode, and, the load of the current inverter, to which the capacitor is connected in parallel, is connected between the middle points of the bridge arms, both current sources are connected with their minus pole to the minus bus of the single-phase bridge directly, and with their positive pole, the second source is directly connected to the positive bus of the bridge, and the first source is connected through an additional diode, the positive terminal of which is connected to the positive terminal of an additional unidirectional switch, connected with its negative terminal to the common negative bus of the circuit; a transistor is connected in series with the additional diode, converting this circuit into a unidirectional and fully controllable one.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого пятиуровневого однофазного инвертора тока; на фиг. 2 изображены схемы проводимости тока через эквивалентную нагрузку в зависимости от состояния ключей; на фиг. 3 и фиг. 4 представлены осциллограммы выходного тока и напряжения инвертора и сигналов системы управления соответственно для пяти- и трехуровневой формы выходного тока инвертора; на фиг. 5 изображена система управления предлагаемым инвертором тока; на фиг. 6 и фиг. 7 изображены осциллограммы тока и напряжения на нагрузке и сигналов системы управления, поясняющие работу устройства-прототипа соответственно при перекомпенсации и недокомпенсации активно-индуктивной нагрузки инвертора тока параллельно подключенным к ней конденсатором.In fig. 1 shows a diagram of the proposed five-level single-phase current inverter; in fig. Figure 2 shows diagrams of current conduction through an equivalent load depending on the state of the keys; in fig. 3 and fig. Figure 4 shows oscillograms of the output current and voltage of the inverter and control system signals, respectively, for a five- and three-level form of the inverter output current; in fig. 5 shows the control system of the proposed current inverter; in fig. 6 and fig. Figure 7 shows oscillograms of current and voltage on the load and control system signals, explaining the operation of the prototype device, respectively, with overcompensation and undercompensation of the active-inductive load of the current inverter with a capacitor connected in parallel to it.

На фиг. 1 и фиг. 2 изображены источники тока 1 и 2, транзисторные полностью управляемые ключи 4, 6, 8, 10, 13, 16, диоды 3, 5, 7, 9, 14, 15, нагрузка 11 и конденсатор 12. Также на фиг. 1 показаны сигналы управления у4, у6, у8, у10, у13, у16 одноименными транзисторами ключами. На фиг. 5 изображены генератор модулирующего сигнала (ГМН) 17, генератор опорного напряжения (ГОН) 18 и генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) 21, первый компаратор (К1) 19 и второй компаратор (К2) 28, первый логический элемент «2И» (И1) 20 и второй логический элемент «2И» (И2) 22, четыре логических элемента «НЕ» 23, 24, 29 и 30, сумматор 26, источник постоянного напряжения Егон 27, равного амплитуде опорного сигнала. In fig. 1 and fig. 2 shows current sources 1 and 2, transistor fully controlled switches 4, 6, 8, 10, 13, 16, diodes 3, 5, 7, 9, 14, 15, load 11 and capacitor 12. Also in FIG. Figure 1 shows control signals y4, y6, y8, y10, y13, y16 by transistors of the same name with keys. In fig. Figure 5 shows a modulating signal generator (MSG) 17, a reference voltage generator (RPG) 18 and a square pulse generator (RPG) 21, the first comparator (K1) 19 and the second comparator (K2) 28, the first logical element “2I” (I1) 20 and the second logical element “2I” (I2) 22, four logical elements “NOT” 23, 24, 29 and 30, adder 26, source of constant voltage Egon 27, equal to the amplitude of the reference signal.

Предлагаемое устройство (фиг. 1), является пятиуровневым инвертором тока и содержит два источника тока 1 и 2, типовой однофазный мостовой инвертор тока, четыре однонаправленные полностью управляемые ключи которого представляют собой последовательное соединение диодов и транзисторов, соответственно 3 и 4, 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10, а также два аналогичных дополнительных однонаправленных полностью управляемых ключа, соответственно 14 и 13, 15 и 16, причем, нагрузка инвертора тока 11, к которой параллельно подключен конденсатор 12, включена между средними точками плеч моста, оба источника тока своим минусовым полюсом подключены к минусовой шине однофазного моста непосредственно, а плюсовым полюсом к плюсовой шине моста источник 2 прямо, а источник 1 - через первый дополнительный управляемый ключ 14-13, положительный вывод которого подключен к положительному выводу второго дополнительного однонаправленного ключа 15-16, подключенного своим отрицательным выводом к общей минусовой шине схемы.The proposed device (Fig. 1) is a five-level current inverter and contains two current sources 1 and 2, a typical single-phase bridge current inverter, four unidirectional fully controlled switches of which are a series connection of diodes and transistors, 3 and 4, 5 and 6, respectively, 7 and 8, 9 and 10, as well as two similar additional unidirectional fully controllable switches, 14 and 13, 15 and 16, respectively, moreover, the load of the current inverter 11, to which the capacitor 12 is connected in parallel, is connected between the midpoints of the bridge arms, both sources current with its negative pole are connected to the negative bus of a single-phase bridge directly, and with its positive pole to the positive bus of the bridge, source 2 is directly connected, and source 1 is connected through the first additional controlled switch 14-13, the positive terminal of which is connected to the positive terminal of the second additional unidirectional switch 15-16 , connected with its negative terminal to the common negative bus of the circuit.

Предлагаемая схема пятиуровневого инвертора тока работает следующим образом. За период выходного тока схема может находиться в пяти разных состояниях, которые соответствуют пяти разным уровням тока на эквивалентной нагрузке и которым соответствуют 5 схем проводимости тока, представленных на фиг. 2. При этом подразумевается, что величина тока каждого источника тока равна I/2. В режиме, когда ток на нагрузке равен I (фиг 2 а), ток протекает от источника тока 2 (пунктирная линия со стрелками) непосредственно, а от источника 1 (тонкая сплошная линия со стрелками) - через первый дополнительный ключ 14-13. Суммируясь на плюсовой шине инвертора тока, ток I далее протекает через ключ 3-4, через эквивалентную нагрузку 11, 12 и через ключ 9-10, замыкаясь на отрицательном полюсе источников тока. В режиме, когда ток на нагрузке равен I/2 (фиг. 2 б), ток от источника 1 не поступает в нагрузку, так как замкнут контур через ключ 15-16, а второй дополнительный ключ 14-13 разомкнут. Ток источника тока 2, как и в предыдущем режиме, проходит через ключ 3-4, эквивалентную нагрузку 11, 12, ключ 9-10 и далее к отрицательному полюсу источников тока. В режиме, когда ток нагрузки равен 0 (фиг. 2 д), ток от источника 1 замыкается через ключ 15-16 и возвращается в источник 1, ток из источника 2 проходит (возможны два варианта) через ключ 3-4 (5-6), ключ 7-8 (9-10) и возвращается в источник 2. В режиме когда ток равен -I/2 (фиг. 2 в) ток от источника 1 проходит через ключ 15-16 и возвращается в источник 1, ток из источника 2 проходит через ключ 5-6, эквивалентную нагрузку 11, 12, ключ 7-8 и возвращается в источник 2. В режиме когда ток нагрузки равен -I (фиг. 2 г), ток протекает от источника тока 1 через первый дополнительный ключ 14-13, а от источника 2 непосредственно. Суммируясь на плюсовой шине инвертора тока, ток I далее протекает через ключ 5-6, дальше он проходит через эквивалентную нагрузку 11, 12 (уже в обратном направлении) и через ключ 7-8 замыкается на отрицательном полюсе источников тока 1 и 2. Когда через эквивалентную нагрузку 11, 12 протекают токи I/2 и I, напряжение на конденсаторе 12 заряжается в положительной полярности. Когда через эквивалентную нагрузку 11, 12 протекают противоположные токи -I/2 и -I, напряжение на конденсаторе 12 перезаряжается в отрицательной полярности. При этом на начальном участке новой полуволны напряжение на конденсаторе остается в течение некоторого времени в противоположной полярности и потом по мере перезаряда переходит в новую полярность.The proposed five-level current inverter circuit works as follows. During the period of the output current, the circuit can be in five different states, which correspond to five different levels of current on the equivalent load and which correspond to the 5 current conduction circuits presented in Fig. 2. It is assumed that the current value of each current source is equal to I/2. In the mode when the load current is equal to I (Fig. 2 a), the current flows from current source 2 (dashed line with arrows) directly, and from source 1 (thin solid line with arrows) through the first additional switch 14-13. Summing up on the positive bus of the current inverter, current I then flows through switch 3-4, through equivalent load 11, 12 and through switch 9-10, closing at the negative pole of the current sources. In the mode when the load current is equal to I/2 (Fig. 2 b), the current from source 1 does not flow into the load, since the circuit through the switch 15-16 is closed, and the second additional switch 14-13 is open. The current of current source 2, as in the previous mode, passes through switch 3-4, equivalent load 11, 12, switch 9-10 and then to the negative pole of the current sources. In the mode when the load current is 0 (Fig. 2 d), the current from source 1 is closed through switch 15-16 and returned to source 1, the current from source 2 passes (two options are possible) through switch 3-4 (5-6 ), key 7-8 (9-10) and returns to source 2. In the mode when the current is -I/2 (Fig. 2 c), the current from source 1 passes through key 15-16 and returns to source 1, the current from source 2 passes through switch 5-6, equivalent load 11, 12, switch 7-8 and returns to source 2. In the mode when the load current is -I (Fig. 2d), current flows from current source 1 through the first additional switch 14-13, and from source 2 directly. Summing up on the positive bus of the current inverter, current I then flows through switch 5-6, then it passes through the equivalent load 11, 12 (in the opposite direction) and through switch 7-8 closes to the negative pole of current sources 1 and 2. When through the equivalent load 11, 12 currents I/2 and I flow, the voltage on the capacitor 12 is charged in positive polarity. When the opposite currents -I/2 and -I flow through the equivalent load 11, 12, the voltage across the capacitor 12 is recharged in negative polarity. In this case, in the initial section of the new half-wave, the voltage on the capacitor remains for some time in the opposite polarity and then, as it recharges, it changes to a new polarity.

Работа устройства в установившемся режиме помимо фиг. 2 дополняется осциллограммами, изображенными на фиг. 3 и фиг. 4, полученными в среде моделирования PSIM, где:Operation of the device in steady state, in addition to FIG. 2 is supplemented by the oscillograms shown in Fig. 3 and fig. 4 obtained in the PSIM modeling environment, where:

Vcarry - пилообразный опорный сигнал; Vcarry - sawtooth reference signal;

Vma - модулирующий синусоидальный сигнал; Vma - modulating sinusoidal signal;

Ia - выходной ток инвертора тока (см. рис. 1); Ia is the output current of the current inverter (see Fig. 1);

U_load - напряжение на нагрузке (или параллельном конденсаторе); U_load - voltage across the load (or parallel capacitor);

Ud - напряжение между плюсовой и минусовой шинами мостового инвертора тока; Ud is the voltage between the positive and negative buses of the bridge current inverter;

Y4 - импульс управления транзистором 4, его инверсия подается на транзистор 6; Y4 - control pulse for transistor 4, its inversion is supplied to transistor 6;

Y13 - импульс управления транзистором 13, его инверсия подается на транзистор 16. Y13 is a control pulse for transistor 13, its inversion is supplied to transistor 16.

В установившемся режиме (фиг. 2) конденсатор 12 заряжается и разряжается так, что на нагрузке получается практически синусоидальное напряжение U_load (см. фиг. 3). Процесс повышения напряжения (заряд конденсатора) происходит пока импульсный ток нагрузки Ia больше нуля, а снижение напряжения (перезаряд конденсатора) происходит, когда ток нагрузки течет в обратном направлении.In steady state (Fig. 2), the capacitor 12 is charged and discharged so that an almost sinusoidal voltage U_load is obtained at the load (see Fig. 3). The process of increasing the voltage (charging the capacitor) occurs while the pulse load current Ia is greater than zero, and decreasing the voltage (recharging the capacitor) occurs when the load current flows in the opposite direction.

На фиг. 3 представлены временные диаграммы силовой схемы и системы управления при глубине модуляции (отношение амплитуд модулирующего Vma и опорного Vcarry сигналов) больше 1. В этом случае выходной ток имеет пятиуровневую форму и за период выходного напряжения происходит 36 смен режимов протекания тока, это реализуется системой управления за счет ШИМ: 6 раз ток равен нулю, 9 раз ток равен I/2, 9 раз ток равен -I/2, 6 раз ток равен I, 6 раз ток равен -I. В модели силовой схемы I/2 = 50 А.In fig. Figure 3 shows the timing diagrams of the power circuit and the control system when the modulation depth (the ratio of the amplitudes of the modulating Vma and reference Vcarry signals) is greater than 1. In this case, the output current has a five-level form and during the period of the output voltage there are 36 changes in current flow modes, this is realized by the control system for PWM counting: 6 times the current is zero, 9 times the current is I/2, 9 times the current is -I/2, 6 times the current is I, 6 times the current is -I. In the power circuit model, I/2 = 50 A.

На фиг. 4 представлены временные диаграммы силовой схемы и системы управления при глубине модуляции меньше 1. В этом случае выходной ток имеет трехуровневую форму и за период выходного напряжения происходит 32 смены режимов протекания тока, это реализуется системой управления за счет ШИМ: 16 раз ток (см. фиг. 4) равен нулю, 8 раз ток равен I/2, 8 раз ток равен -I/2. In fig. Figure 4 shows the timing diagrams of the power circuit and the control system with a modulation depth of less than 1. In this case, the output current has a three-level form and during the period of the output voltage there are 32 changes in current flow modes, this is realized by the control system due to PWM: 16 times the current (see Fig. 4) is equal to zero, 8 times the current is equal to I/2, 8 times the current is equal to -I/2.

Импульсы управления транзистором 4 (y4) для случая глубины модуляции больше 1 формируются следующим образом (см. фиг. 5): модулирующий и опорный сигналы соответственно с генератора модулирующего напряжения (ГМН) 17 и с генератора опорного напряжения (ГОН) 18 поступают на первый компаратор (К1) 19, выходной сигнал с компаратора 19 поступает на один из входов первого логического элемента «И» (И1) 20, на второй вход которого поступает прямоугольный сигнал с генератора прямоугольных импульсов (ГПИ) 21, одновременно этот сигнал как сигнал у10 поступает на транзистор 10. Инверсия сигнала у10, формируемая логическим элементом «НЕ» 24, в качестве сигнала у8 поступает на транзистор 8. Сигналы у8 и у10 обеспечивают переключение диагоналей моста и, соответственно, переход с одного направления тока на другое, или переход с одной полярности на противоположный. На второй логический элемент «И» (И2) 22 поступают сигналы с компаратора 19, инвертированные логическим элементом «НЕ» 23, и с генератора прямоугольных импульсов 21, инвертированные логическим элементом «НЕ» 24. Выходные сигналы с обоих логических элементов «И» 20 и 22 поступают на входы логического элемента «ИЛИ» 25. Выходной сигнал этого элемента y4 поступает на транзистор 4, а инвертированный логическим элементом «НЕ» 29 сигнал y6 поступает на транзистор 6. The control pulses of transistor 4 (y4) for the case of a modulation depth greater than 1 are formed as follows (see Fig. 5): the modulating and reference signals, respectively, from the modulating voltage generator (VMG) 17 and from the reference voltage generator (GON) 18 are supplied to the first comparator (K1) 19, the output signal from the comparator 19 is supplied to one of the inputs of the first logical element “AND” (I1) 20, the second input of which receives a rectangular signal from the rectangular pulse generator (RPU) 21, at the same time this signal as signal y10 is supplied to transistor 10. Inversion of signal y10, generated by logic element “NOT” 24, is supplied as signal y8 to transistor 8. Signals y8 and y10 ensure switching of the bridge diagonals and, accordingly, transition from one direction of current to another, or transition from one polarity to opposite. The second logical element “AND” (I2) 22 receives signals from the comparator 19, inverted by the logical element “NOT” 23, and from the rectangular pulse generator 21, inverted by the logical element “NOT” 24. Output signals from both logical elements “AND” 20 and 22 are supplied to the inputs of the logical element “OR” 25. The output signal of this element y4 is supplied to transistor 4, and the signal y6, inverted by the logical element “NOT” 29, is supplied to transistor 6.

Импульс управления транзистором 13 формируется следующим образом: модулирующий сигнал из ГМН 17 поступает на сумматор 26, на вычитающий вход которого поступает сигнал, равный амплитуде опорного сигнала из блок Егон 27. Разностный сигнал (т.е. та часть модулирующего сигнала, которая превышает амплитуду опорного сигнала) и опорный сигнал с ГОН 18 поступают на второй компаратор (К2) 28. Выходной сигнал у13 второго компаратора (К2) 28 поступает на транзистор 13, а инвертированный логическим элементом «НЕ» 30 сигнал у16 - на транзистор 16. Таким образом, транзистор 13 начинает работать только при формировании пятиуровневой формы выходного тока инвертора, когда глубина модуляции больше единицы и в нагрузку должен поступать ток ± I.The control pulse of transistor 13 is formed as follows: the modulating signal from the GMN 17 is supplied to the adder 26, the subtractive input of which receives a signal equal to the amplitude of the reference signal from the Egon block 27. The difference signal (i.e. that part of the modulating signal that exceeds the amplitude of the reference signal) and the reference signal from GON 18 are supplied to the second comparator (K2) 28. The output signal y13 of the second comparator (K2) 28 is supplied to transistor 13, and the signal y16, inverted by the logic element “NOT” 30, is supplied to transistor 16. Thus, the transistor 13 starts to work only when a five-level form of the inverter output current is formed, when the modulation depth is greater than unity and the load must receive a current ± I.

В то же время при трехуровневой форме выходного тока (см. фиг. 4) транзистор 16 всегда включен, замыкая через себя ток источника тока 1, а транзистор 13 всегда закрыт, предотвращая включение диода 14 на начальном (конечном) участке новой полуволны и протекание тока источника тока 1 в нагрузку, которое искажает выходные сигналы инвертора тока, что и происходит в устройстве прототипа, в котором отсутствует транзистор 13. Временные диаграммы для устройства прототипа в режимах перекомпенсации и недокомпенсации соответственно показаны на фиг. 6 и фиг. 7.At the same time, with a three-level form of the output current (see Fig. 4), transistor 16 is always turned on, closing the current of the current source 1 through itself, and transistor 13 is always closed, preventing the diode 14 from turning on at the initial (final) section of the new half-wave and the flow of current current source 1 to the load, which distorts the output signals of the current inverter, which is what happens in the prototype device, in which there is no transistor 13. Timing diagrams for the prototype device in the overcompensation and undercompensation modes, respectively, are shown in Fig. 6 and fig. 7.

Таким образом, техническим результатом заявляемого устройства является обеспечение качества выходного тока инвертора во всем диапазоне изменения параметров эквивалентной нагрузки, как показано на фиг. 3 и фиг. 4, в отличие от устройства-прототипа, в звене постоянного тока которого происходит неконтролируемое протекание импульсного тока в начале (конце) периода, как показано на фиг. 6 и фиг. 7.Thus, the technical result of the proposed device is to ensure the quality of the output current of the inverter over the entire range of changes in the parameters of the equivalent load, as shown in Fig. 3 and fig. 4, in contrast to the prototype device, in the DC link of which there is an uncontrolled flow of pulsed current at the beginning (end) of the period, as shown in FIG. 6 and fig. 7.

Claims (1)

Пятиуровневый инвертор тока, содержащий два источника тока, типовой однофазный мостовой инвертор тока, четыре однонаправленных полностью управляемых ключа которого представляют собой последовательное соединение транзистора и диода, а также один аналогичный дополнительный однонаправленный полностью управляемый ключ и дополнительный диод, причем, нагрузка инвертора тока, к которой параллельно подключен конденсатор, включена между средними точками плеч моста, оба источника тока своим минусовым полюсом подключены к минусовой шине однофазного моста непосредственно, а плюсовым полюсом к плюсовой шине моста, второй источник прямо, а первый источник - через дополнительный диод, положительный вывод которого подключен к положительному выводу дополнительного однонаправленного ключа, подключенного своим отрицательным выводом к общей минусовой шине схемы, отличающийся тем, что в цепь с дополнительным диодом последовательно включен транзистор, преобразующий данную цепь в однонаправленную и полностью управляемую.A five-level current inverter containing two current sources, a typical single-phase bridge current inverter, four unidirectional fully controlled switches of which are a series connection of a transistor and a diode, as well as one similar additional unidirectional fully controlled switch and an additional diode, and the load of the current inverter to which a capacitor is connected in parallel, connected between the middle points of the bridge arms, both current sources are connected with their negative pole to the negative bus of a single-phase bridge directly, and with their positive pole to the positive bus of the bridge, the second source is direct, and the first source is through an additional diode, the positive terminal of which is connected to the positive terminal of an additional unidirectional switch, connected with its negative terminal to the common negative bus of the circuit, characterized in that a transistor is connected in series with the additional diode, converting this circuit into a unidirectional and fully controllable one.
RU2023116837A 2023-06-27 Single-phase five-level current inverter RU2807324C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2807324C1 true RU2807324C1 (en) 2023-11-14

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU688970A1 (en) * 1976-11-01 1979-09-30 Московский Ордена Ленина Энергетический Институт Dc voltage-to- n-step ac voltage converter
US4203151A (en) * 1978-09-21 1980-05-13 Exxon Research & Engineering Co. High-voltage converter circuit
SU902172A1 (en) * 1980-04-17 1982-01-30 Красноярский Политехнический Институт Single-phase inverter
SU904143A1 (en) * 1980-05-12 1982-02-07 Институт Электродинамики Ан Укрсср Dc-to-staircase ac voltage converter
US11063579B2 (en) * 2017-11-09 2021-07-13 North Carolina State University Circuit for providing variable waveform excitation

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU688970A1 (en) * 1976-11-01 1979-09-30 Московский Ордена Ленина Энергетический Институт Dc voltage-to- n-step ac voltage converter
US4203151A (en) * 1978-09-21 1980-05-13 Exxon Research & Engineering Co. High-voltage converter circuit
SU902172A1 (en) * 1980-04-17 1982-01-30 Красноярский Политехнический Институт Single-phase inverter
SU904143A1 (en) * 1980-05-12 1982-02-07 Институт Электродинамики Ан Укрсср Dc-to-staircase ac voltage converter
US11063579B2 (en) * 2017-11-09 2021-07-13 North Carolina State University Circuit for providing variable waveform excitation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yadav et al. A hybrid 7-level inverter using low-voltage devices and operation with single DC-link
Mathew et al. A multilevel inverter scheme with dodecagonal voltage space vectors based on flying capacitor topology for induction motor drives
US11949343B2 (en) Systems and methods for controlling multi-level diode-clamped inverters using space vector pulse width modulation (SVPWM)
US9325252B2 (en) Multilevel converter systems and sinusoidal pulse width modulation methods
Trzynadlowski An overview of modern PWM techniques for three-phase, voltage-controlled, voltage-source inverters
US8288896B2 (en) 3N-4-level voltage inverter
Devi et al. Modified phase shifted PWM for cascaded H bridge multilevel inverter
US20170324352A1 (en) Power conversion device
RU2807324C1 (en) Single-phase five-level current inverter
Davis et al. Nine level T-type neutral point clamped voltage source inverter for induction motor drive
Shahir et al. 16-level basic topology for cascaded multilevel inverters with reduced number of components
Singh et al. New multi-level inverter topology with reduced number of switches
Davis et al. Enhanced floating capacitor voltage balancing schemes for single-source seven-level inverters with capacitor fed H-bridge units
Xue et al. A flexible reactive power injection method for DC-link capacitors voltage balancing in back-to-back multilevel converters
Korhonen et al. Hybrid five-level T-type inverter
Bakas et al. Hybrid alternate-common-arm converter with director thyristors—Impact of commutation time on the active-power capability
Ponnusamy et al. An improved switching topology for single phase multilevel inverter with capacitor voltage balancing technique
Hussein et al. Cascaded multioutput multilevel converter: Modulation and operating limits
RU2206166C2 (en) Storage battery charging device
CN106992701B (en) Propulsion device and circuit arrangement for operating an electric machine with the aid of two energy stores
Pribadi et al. Operating scheme of six-level hybrid inverters with reduced capacitor count
Wang et al. A New Framework For Handling Some Critical Issues on Neutral Point Clamped Three-Level Inverter With Unbalanced DC-Links
Bharath et al. A new submodule structure with parallel capacitor connection in modular multilevel converters
Sachan et al. Reduced Switch Count 36 level Inverter for Open End Winding Induction Motor Drive
Shobana et al. THD Analysis of Modular Multilevel Converters for different voltage Levels