1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 28617
(51) H02M 7/46 (2006.01)
H03K 19/00 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2013/0913.1
(22) 05.07.2013
(45) 16.06.2014, бюл. №6
(72) Исембергенов Налик Турегалиевич;
Тайсариева Кырмызы Нурлановна; Сагындикова
Айгуль Журсиновна
(73) Республиканское государственное предприятие
на праве хозяйственного ведения "Казахский
национальный технический университет им.
К.И. Сатпаева" Министерства образования и науки
Республики Казахстан
(56) Патент РК №21377, 2009
(54) МНОГОУРОВНЕВЫЙ ИНВЕРТОР
(57) Данное изобретение относится к
преобразовательной технике и может быть
использовано как преобразователь постоянного
напряжения в переменное, как стабильной и
переменной частотой.
Многоуровневый инвертор дает возможность
получить на выходе форму напряжения близкой к
синусоиде и с минимальными значениями высших
гармоник, не требующих фильтров.
Каждый из n конверторов (DC/DC
преобразователей) и каждый n источников
постоянного напряжения, соединены между собой
одновременно параллельно и последовательно и
образуют n источников питания, которые через n
коммутирующих ключей подключены к мостовому
инвертору с общей нагрузкой, при этом каждый n
коммутирующий ключ состоит из диода и
транзистора, причем коллекторы транзистора
подключены к аноду диода, а катоды диода к
источнику питания, эммитеры транзисторов - к
мостовой схеме инвертора с общей нагрузкой, кроме
того, n транзисторные ключи управляется блоком
управления таким образом, что на выходе инвертора
обеспечивается многоуровневое напряжение,
близкое по форме к синусоиде, при чем n = 2, 3, 4, 5
и т. д.
(19)KZ(13)A4(11)28617

2. 28617
2
Изобретение относится к электротехнике,
преимущественно к преобразовательной технике и
может быть использовано в качестве инвертора для
преобразования постоянного напряжения в
переменное напряжение промышленной частоты.
Известны множество видов инверторов
специального и промышленного применения. В
настоящие время задачами инверторов является
инвертирование электроэнергии так называемыми
статическими преобразователями. Самым
эффективным по массогабаритным показателям и
КПД являются полупроводниковые транзисторные
преобразователи.
Известен транзисторный преобразователь
(инвертор) [B.C. Моин., Стабилизированные
транзисторные преобразователя: - М.:
Энергоатомиздат., 1986. - 408 с: ил. (с.221)].,
который работающий в ключевом режиме,
содержащий 4 транзистора, включенный по
мостовой схеме и питаемый от одного
промежуточного трансформатора повышенной
частоты и с многоканальными выпрямителями. В
зависимости от режима работы транзисторного
инвертора в ключевом режиме, на выходе
получается одноуровневое напряжение или ток
прямоугольной формы
Недостатками указанного транзисторного
инвертора можно отметить следующее:
- преобразование энергии постоянного тока в
переменное происходит с конвертированием всей
мощности;
- одноступенчатая форма кривой выходного
напряжения, сильно отличающаяся от синусоиды;
- наличие высших гармоник выходного
напряжения, который требует установки фильтров
для погашения высших гармоник напряжения.
Запатентован близкий по техническим
характеристикам многоступенчатый транзисторный
инвертор [Патент РК, №21377; опубликовано бюл.
№7; 2009.15.07, МКП Н01M 7/46, Н03K 19/00],
который содержит 4 транзистора, мостовую схему
инвертора и n источников постоянного напряжения.
Источники постоянного напряжения разделены на n
независимых источников и вместе с мостовой
схемой инвертора дополнительно включены n-1
транзисторных ключей. На выходе
многоступенчатого транзисторного инвертора
получается напряжение или ток прямоугольной
многоступенчатой формы.
Недостатками этого транзисторного инвертора
являются:
- сложность в угле управления транзисторами,
что может привести к возникновению сквозных
токов в инверторе;
- наличие большого количества транзисторов при
увеличении числа ступеней выходного напряжения
и сложность в управлении.
Техническим результатом предлагаемого
изобретения является улучшение качества
формируемого выходного напряжения максимально
близкого к синусоиде, не требующих
дополнительных фильтров и при этом с
повышенным значением КПД. Одновременно
появляется возможность значительного упрощения
схем транзисторных ключей, унификации их
схемотехнических решений и более полная
возможность управления транзисторами
многоуровневого инвертора при их реализации.
Результат достигается тем, что каждый из n
конверторов и каждый из n источников постоянного
напряжения, соединены между собой одновременно
параллельно и последовательно и образуют n
источников питания, которые через n
коммутирующих ключей подключены к мостовому
инвертору с общей нагрузкой, при этом каждый n
коммутирующий ключ состоит из диода и
транзистора, причем коллекторы транзистора
подключены к аноду диода, а катоды диода к
источнику питания, эммитеры транзисторов - к
мостовой схемой инвертора с общей нагрузкой,
кроме того, n транзисторные ключи управляется
блоком управления таким образом, что на выходе
инвертора обеспечивается многоуровневое
напряжение, близкое по форме к синусоиде, при чем
n = 2, 3, 4, 5 и т. д.
Повышение КПД достигается тем, что в
источниках питания каждый конвертор соединен с
солнечной батареей или аккумулятором не только
последовательно, но и параллельно. Поэтому
некоторая часть энергии солнечных батареq или
аккумуляторов преобразуется из инверторов в
переменное напряжения без конвертирования. КПД
модульных выпускаемых конверторов имеет
высокое значение (DC/DC Converter, "MEAN
WELL", Тайвань).
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг.1 представлена схема многоуровневого
инвертора при последовательном соединении
источников постоянного напряжения;
на фиг.2 представлена диаграмма выходного
напряжения при схеме инвертора на фиг. 1;
на фиг.3 представлен график выходного
напряжения пятиуровневого инвертора;
на фиг.4 представлен гармонический состав
напряжения пятиуровневого инвертора;
Многоуровневый транзисторный инвертор
содержит мостовую схему инвертора 1 с общей
нагрузкой Rн, n конверторов (DC/DC
преобразователей) и n источников постоянного
напряжения (солнечных батарей или
аккумуляторов). Каждый из n конверторов и каждый
из n источников постоянного напряжения,
соединены между собой одновременно параллельно
и последовательно и образуют n источников
питания, которые через n коммутирующих ключей
подключены к мостовому инвертору с общей
нагрузкой.
Напряжение питания Un состоит из ЭДС
источников постоянного напряжения (солнечных
батарей или аккумуляторов) Еn плюс UK
конверторов (DC/DC преобразователей). Тогда
напряжение на входе многоуровневого инвертора
без учета падения напряжения на транзисторах
будет равно напряжению на нагрузке, т.е.

3. 28617
3
∑ ∑+=
n k
кnn UEU
1 1
, (1)
где, Uк - выходное напряжение конверторов, а к
= количество конверторов.
Например, если напряжение аккумулятора равно
E1 = 12 В и конверторов Uк1 имеет выходное
напряжение 12/48 В, то напряжение питания U1 =
12+48=60В.
Диоды в составе коммутирующего ключа не
позволяют источникам питания замыкаться через
открытие коммутирующих транзисторов.
Многоуровневый инвертор работает следующим
образом. Известная мостовая схема инвертора 1
состоит из транзисторов Ти1, Ти2, Ти3 и Ти4 (Фиг.1)
и через n транзисторных ключей ККn, состоящий из
n транзисторов Тn и n диодов Dn подключена к n
источникам питания Un и образует на выходе
напряжение прямоугольной формы, как в
положительном, так и в отрицательном
полупериоде. В момент времени t1 (Фиг.2)
открывается первый транзисторный ключ Т1, а
также транзисторы Tи1 и Ти3 и через них начинает
протекать постоянный ток от источника напряжения
U1 к нагрузке Rн, образуя первый уровень
напряжения, при этом транзисторы Ти2 и Ти4
закрыты. Через некоторое время t2, открывается
второй транзисторный ключ Т2 и постоянный ток от
следующего источника постоянного напряжения U2
будет протекать через транзисторы ТИ1 и ТИ3
инвертора, так как они еще открыты, образуя второй
уровень напряжения на нагрузке. В момент времени
t3 открывается третий транзисторный ключ Т3 и
постоянный ток от следующего источника
постоянного напряжения U3 будет протекать через
те же транзисторы ТИ1 и ТИ3 инвертора, образуя
третий уровень напряжения на нагрузке. Таким же
образом в момент времени tn с помощью
транзисторного ключа Тn формируется n-ный
уровень напряжения на нагрузке.
Далее в момент времени tn-к закрывается
транзисторный ключ Тn, потом в момент времени tn-3
- транзисторный ключ Т3, в момент времени tn-2
транзисторный ключ Т2 и так далее. В момент
времени tn-1 закрывается последний транзисторный
ключ T1 и нагрузка будет отключена от U1
источника питания, при этом закрываются
транзисторы ТИ1 и ТИ3 мостового инвертора. Таким
образом, происходит формирование
положительного полупериода многоуровневого
напряжения на нагрузке.
Для формирования отрицательного периода
многоуровневого напряжения на нагрузке, в момент
времени t1+T/2, где Т - периода многоуровневого
напряжения, открываются транзисторы ТИ2 и ТИ4 и
транзисторный ключ Т1 постоянный ток от
источника постоянного напряжения U1 будет
протекать в нагрузке в обратном направлений,
образуя первый отрицательный уровень напряжения
на нагрузке. Через некоторое время t2+T/2,
открывается второй транзисторный ключ Т2 и
постоянный ток от следующего источника питания
U2 будет протекать через транзисторы ТИ2 и ТИ4
инвертора, образуя второй уровень напряжения на
нагрузке отрицательного полупериода. Также, в
момент времени t3+T/2, открывается третий
транзисторный ключ Т3 и постоянный ток от
следующего источника питания U3 будет протекать
через транзисторы ТИ2 и ТИ4 инвертора, образуя
третий уровень напряжения на нагрузке. Таким
образом, этот процесс повторяется, через некоторое
время tn+T/2, открывается n-вый транзисторный
ключ Тn и постоянный ток от следующего источника
питания Un будет протекать через транзисторы ТИ2 и
ТИ4 инвертора, так как они еще открыты, образуя
n-вый уровень напряжения на нагрузке.
Далее в момент времени tn-к+T/2 закрывается
транзисторный ключ Тn, потом в момент времени
tn-3+T/2 закрывается транзисторный ключ Т3, в
момент времени tn-2 + Т/2 закрывается
транзисторный ключ Т2 и в момент времени
tn-1+T/2 закрывается транзисторный ключ T1 и
нагрузка будет отключена от U1 источника питания.
Таким образом, происходит формирование
отрицательного полупериода многоуровневого
напряжения на нагрузке.
Чтобы формировать следующий положительный
полупериод напряжения первый указанный
алгоритм повторяется. Здесь следует отметить, что
можно формировать неограниченное количество
уровней на выходе инвертора.
Как видно из графика выходного напряжения
(Фиг.2) и из последнего выражения на нагрузке
происходит суммирование уровне напряжения всех
источников питания и форма кривой напряжения
практически не отличается от синусоиды. Это
значит, что данный многоуровневый инвертор
работает в режиме инвертора напряжения.
Многоуровневую форму напряжения, которая
сформирована из отдельных n уровневых
напряжений, имеющую различную величину
амплитуд, с одинаковым периодом Т, но с
различной скважностью πα можно разложить как
непрерывную периодическую функцию на
гармонические составляющие. Эта функция будет
иметь следующий вид:
...),5cos
2
5
sin3cos
2
3
sincos
2
(sin
4
)( 11
1 +++⋅= ttt
U
tU ω
πα
ω
πα
ω
πα
π
...),5cos
2
5
sin3cos
2
3
sincos
2
(sin
4
)( 2222
2 +++⋅= ttt
U
tU ω
πα
ω
πα
ω
πα
π
...),5cos
2
5
sin3cos
2
3
sincos
2
(sin
4
)( 2
+++⋅= ttt
U
tU nnm
n ω
πα
ω
πα
ω
πα
π
Тогда напряжение на выходе инвертора или на
нагрузке будет равно сумме напряжений отдельных
уровней:
)(.....)()()( 21 tUtUtUtU nН +++= (2)
∑∑∑ ===
+++⋅=
n
i
ii
n
i
i
n
i
m
H ttt
U
tU
111
...),5cos
2
3
5sin3cos
2
3
sincos
2
sin(
4
)( ω
πα
ω
πα
ω
πα
π

4. 28617
4
[ ]
∑∑ =
∞
= −
+−
=
n
ik
макс
H
n
nkT
tk
kn
A
tU
1,...5,3,1 )12(4
1)1(2
sincos
14
)( ω
π
По вышеуказанной формуле были произведены
расчеты и моделирование работы многоуровневого
инвертора в программной среде MatLab 7.9.0 для
шести, пяти и четырех уровней напряжения. При
этом амплитудное значение напряжения равнялось
320 В при постоянной частоте 50 Гц.
Анализы результатов гармонических
составляющих показали, что при шести и более
уровнях напряжения основная гармоника
напряжения ярко выражена по сравнению с другими
гармониками, т. е. форма кривой напряжения на
выходе многоуровневого инвертора практически не
отличается от синусоиды и искажение высших
гармоник напряжения не превышает 5%.
На фиг.3 представлен график выходного
напряжения шестиуровневого инвертора, который
моделирован в программной среде MatLab 7.9.0;
На фиг.4 представлен гармонический состав
напряжения шестиуровневого инвертора.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Многоуровневый инвертор, содержащий n
источники постоянного напряжения солнечных
батарей или аккумуляторов, n коммутирующие
ключи мостового инвертора, отличающийся тем,
что каждый из n конверторов и каждый из n
источников постоянного напряжения, соединены
между собой одновременно параллельно и
последовательно и образуют n источники питания,
которые через n коммутирующие ключи
подключены к мостовому инвертору с общей
нагрузкой, при этом каждый из n коммутирующих
ключей состоит из диода и транзистора, причем
коллекторы транзистора подключены к аноду диода,
а катоды диода к источнику питания, эммитеры
транзисторов - к мостовой схеме инвертора с общей
нагрузкой, кроме того, n транзисторные ключи
управляются блоком управления таким образом, что
на выходе инвертора обеспечивается
многоуровневое напряжение, близкое по форме к
синусоиде, причем n = 2, 3, 4, 5 и т. д.

5. 28617
5
Верстка Ж. Жомартбек
Корректор Е. Барч