Анализ работы н-мостового каскадного инвертора

Введение. Непрерывное развитие и совершенствование силовых полупроводниковых элементов, а также методов реализации импульсной модуляции раскрыли возможность широкого внедрения полупроводниковой преобразовательной техники как в области электроприводов, так и в системах обеспечения потребителей электрической энергией. В свою очередь, виток развития в области полупроводниковой техники не может не спровоцировать на создание новых законов модуляции, направленных на повышение качества преобразования энергии. В роли инструмента для реализации подобной технической задачи используют многоуровневые топологии построения инверторов. Одними из представителей таких преобразователей являются инверторы, построенные на базе H-мостовых ячеек.

Данный класс инверторов был предложен еще в 1975 году и по сегодняшний день остает- ся одним из самых приоритетных [1]. Основным преимуществом H-мостовой ячейки является её универсальность. Для осуществления питания однофазного потребителя достаточно использовать лишь одну H-мостовую ячейку (рисунок 1 а).

а – схема однофазного Н-мостового инвертора; б – форма выходного напряжения инвертора Рисунок 1 – Н-мостовой инвертор

Формирование переменного выходного напряжения происходит за счет различных комбинаций состояния четырех силовых ключей S 1 – S 4 [2]. При этом всего на выходе может быть три уровня напряжения: положительное значение напряжения, равное приложенному на вход, отрицательное и 0. В состоянии, когда транзисторы S 1 и S 4 открыты, а S 2 и S 3 закрыты, формируется положительный уровень напряжения, в противоположном состоянии S 2 и S 3 открыты, S 1 и S 4 закрыты – отрицательный уровень напряжения. Напряжение на выходе, равное нулю, формируется двумя комбинациями

Рисунок 2 – Трехфазный Н-мостовой инвертор

Методика исследований. При необходимости обеспечения электроснабжением трехфазных потребителей Н-мостовая топология построения преобразователей предлагает решение, представленное на рисунке 2. Принцип работы устройства практически не отлича- транзисторов: 1 – S1 и S3 открыты, а S2 и S4 закрыты и 2 – S1 и S3 закрыты, а S2 и S4 открыты. Для данных преобразователей может применяться однополярная или двухполярная широтно-импульсная модуляция (ШИМ) [3, 4, 5]. В результате форма выходного напряжения инвертора имеет вид, представленный на рисунке 1 б. В случае недостаточного значения мощности для обеспечения потребителя электроэнергией, данное схемотехническое решение построения инверторов позволяет увеличить этот параметр путем параллельного подключения аналогичных H-мостовых ячеек.

ется от описанного выше. Отличие состоит лишь в формировании ШИМ-сигнала. В трехфазном инверторе дополнительно появляется два опорных сигнала, которые сдвинуты на угол 1200 [5, 6]. Также следует отметить, что представленная схема трехфазного преобразовате- ля состоит из трех аналогичных друг другу H-мостовых ячеек, при этом один из выводов каждой ячейки соединяется между собой, образуя нейтраль n, а второй подключается к нагрузке. Благодаря этому, такой преобразователь позволяет обеспечить питанием как трехфазного, так и однофазного потребителя.

Еще одной особенностью применения подобного схемотехнического решения является то, что при последовательном подключении напряжения при условии применения низковольтных силовых ключей. Такие инверторы, построенные на Н-мостовых ячейках, называют каскадными (рисунок 3 а). Чем больше количество последовательно подключенных ячеек, тем выше уровень напряжения, который способен коммутировать преобразователь, при этом форма выходного напряжения будет существенно отличаться от преобразователей, имеющих одну Н-мостовую ячейку [7, 8] (рисунок 3 б).

ячеек можно добиться необходимого уровня

а

Время, с б

а – схема трехфазного каскадного Н-мостового инвертора;

б – форма выходного напряжения каскадного Н-мостового инвертора Рисунок 3 – Трехфазный Н-мостовой инвертор

Для исследования работы подобного каскадного инвертора была разработана модель пятиуровневого Н-мостового преобразователя в программной среде Matlab пакет Simulink [9, 10]

(рисунок 4). Основная цель представленного исследования – анализ качества выходного сигнала модели инвертора. Для этого был принят показатель несинусоидальности на- пряжения. В свою очередь, несинусоидаль-ность напряжения рассматривалась как значение суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения в точке передачи электрической энергии.

Результаты исследований и их обсуждение. Реализация пятиуровневого выходного сигнала основана на использовании шести Н-мостовых ячеек, включенных по две последовательно. Как было описано выше, одна ячейка способна сформировать трехуровневый выходной сигнал, еще два появляются за счет дополнительного последовательного подключения Н-моста. В результате моделирования были получены кривые фазного и линейного напряжения. Анализ на несинусоидальность проводилась для линейного напряжения (рисунок 5), т.к. предполагается, что преобразователь будет питать трехфазную нагрузку.

Рисунок 4 – Модель пятиуровневого Н-мостового инвертора, построенного в программной среде Matlab

Рисунок 5 – Результат анализа спектрального состава линейного напряжения модели Н-мостового инвертора

Несущая частота ШИМ в ходе моделирования была принята 1,2 кГц, модуляция – синусоидальная ШИМ, для анализа выбрано два периода, линейное напряжение составило 386,2 В, при этом суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения равен 15,41%. Обзор альтернативных многоуровневых концепций продемонстрировал, что последний показатель у всех находится практически на одинаковом уровне и выбор той или иной технологии заключается в возможности ее реализации [7, 8].

Помимо огромного количества достоинств рассматриваемой в данной статье концепции многоуровневых инверторов, следует отметить некоторые очевидные её недостатки. В первую очередь, необходимо обратить внимание, что при построении многоуровневого каскадного Н-мостового инвертора, для каждой ячейки требуется свое независимое питание, которое можно реализовать только с применением многообмоточного трансформатора. Такой трансформатор будет производиться специально по параметрам инвертора, при том, что мощность его должна будет соответствовать запросам потребителя. Другой недостаток – сложность в реализации программ управления.

Выводы

• 1.    Н-мостовая концепция инверторов является если не единственной, то одной из самых универсальных. Увеличение напряжения и мощности реализуется соответствующим подключением необходимого количества ячеек.

• 2.    Проведенное моделирование, по результатам которого суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения для пятиуровневого инвертора составляет 15,41%, подтверждает привлекательность данных преобразователей, особенно в области энергетики, где выдвигаются высокие требования к уровню гармонических искажений, а также к надежности электроснабжения потребителей.

• 3.    Возможность применения низковольтной элементной базы для реализации Н-мос-товых ячеек позволяет увеличить экономическую привлекательность данной концепции.