EA008239B1 - Устройство и способ переноса заряда - Google Patents

Abstract

Устройство и способ переноса электрического заряда между средством (25) накопления заряда и первым силовым терминалом (входом/выходом) (11), содержащим первое множество клемм. Способ предусматривает перенос заряда между средством накопления заряда и первой клеммой первого множества клемм через индуктивный блок (22) и при переносе заданного количества заряда между средством накопления заряда и первой клеммой первого множества клемм замену первой клеммы второй клеммой первого множества клемм. Далее происходит перенос заряда между средством накопления заряда и второй клеммой первого множества клемм через индуктивный блок. Предпочтительно отношение заряда, перенесенного между средством накопления заряда и первой клеммой первого множества клемм, и заряда, перенесенного между средством накопления заряда и второй клеммой первого множества клемм, равно отношению токов, отбираемых с первой клеммы первого множества клемм и со второй клеммы первого множества клемм. Предусмотрен также перенос заряда между средством накопления заряда и вторым силовым терминалом (входом/выходом) (12) аналогичным способом.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к области силового преобразования электрического тока и, более точно, к устройству переноса заряда и способу для силового преобразования переменного тока, выпрямления переменного тока, инвертирования постоянного тока в переменный ток, преобразования постоянного тока и регулировки реактивной мощности. Хотя изобретение имеет широкую область применения, его полезно использовать в системах распределения и передачи мощности на электростанциях общего пользования, в промышленных, коммерческих и морских силовых установках.

Предшествующий уровень техники

Стандартное выпрямительное устройство, в котором используются нелинейные устройства, например диодные или тиристорные мосты, обуславливают наличие гармоник и реактивной мощности в трехфазном источнике питания переменного тока, к которому подключено устройство. Гармоники и реактивная мощность появляются в результате неравномерного распределения нагрузки между входными фазами. Это значит, что отбор тока с фазы имеет место, когда входное фазное напряжение переменного тока превышает выходное напряжение постоянного тока, и отсутствует, когда входное фазное напряжение переменного тока меньше выходного напряжения постоянного тока.

Электродвигатели с регулируемой скоростью вращения и источники бесперебойного питания, в которых обычно предусмотрено преобразование переменного тока в постоянный ток с последующим преобразованием постоянного тока в переменный ток для получения напряжения и частоты, необходимых для работы электродвигателя переменного тока, вносят дополнительные искажения в форму волны источника питания переменного тока. Ухудшение формы волны источника питания, например электрической сети или генератора на морском судне, может привести к сбоям оборудования, чувствительного к «чистоте» источника питания.

Краткое изложение существа изобретения

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания устройства и способа преобразования мощности, позволяющих снизить искажения формы волны источника питания переменного тока.

Согласно настоящему изобретению поставленная задача решается тем, что предложено устройство резонансного переноса заряда (УРПЗ), в котором применяется способ дифференциального и последовательного резонансного переноса заряда (ДППЗ). Указанные УРПЗ и способ Д1П1З обеспечивают преимущества над известными устройствами преобразования мощности в том, что позволяют снизить искажения формы волны источника питания переменного тока.

Для этого УРПЗ отбирает заряд со всех фаз многофазного источника питания пропорционально отношению токов входных фаз. Это устройство выдает мощность без гармоник, отбирает мощность с единичным коэффициентом мощности и не вносит в источник питания переменного тока реактивной мощности.

Кроме того, поскольку УРПЗ можно использовать в двух направлениях, оно может подавать на многофазный источник питания переменного тока ток без гармоник на основной частоте, а также синтезировать синусоидальный ток с заданной частотой и фазой.

В общем случае работа УРПЗ осуществляется в два цикла. В течение первого цикла с каждой фазы источника питания отбирают нужный заряд, которым заряжают средство накопления энергии. В течение второго цикла средство накопления энергии разряжают через выход УРПЗ. Выполняя много циклов работы в секунду, УРПЗ может извлекать заряд из источника питания и подавать заряд через выход УРПЗ, создавая нужную выходную форму волны.

При переносе заряда может обеспечиваться, а может и не обеспечиваться перенос полезной энергии на вход или со входа. Благодаря повторяющимся этапам переноса заряда, можно осуществлять управляемый переток полезной мощности от входа к выходу. Повторяющиеся переносы заряда могут также обеспечивать регулируемую реактивную мощность источника питания переменного тока.

УРПЗ можно подключать к источнику многофазного переменного тока либо к источнику постоянного тока. При этом устройство может выдавать многофазный переменный ток требуемого напряжения и частоты либо постоянный ток требуемого напряжения и полярности. Устройство может преобразовывать переменный ток в переменный ток или постоянный ток, а также постоянный ток в переменный ток или постоянный ток.

В большинстве случаев перенос заряда при управляемом перетоке мощности происходит посредством переноса заряда между источником питания и средством накопления заряда с последующим переносом заряда между средством накопления заряда и выходом. Однако возможен и непосредственный переток мощности от входа к выходу.

Управляя процессом переноса заряда, можно отбирать ток с входа/выхода или подавать его на вход/выход. Усредняя ток с помощью фильтра низких частот, можно практически ликвидировать пульсацию тока.

Преимущество настоящего изобретения состоит в возможности использования мощных тиристоров, которые работают в режиме автоматической или естественной коммутации. Таким образом, оно не предусматривает использование размыкателей, например инверторов на основе широтно-импульсного модулятора (ШИМ), в которых используются приборы на основе комбинации биполярного транзистора и

- 1 008239 полевого транзистора с изолированным затвором или устройства с отключением по управляющему электроду. Поэтому цепь для управления размыканием переключателей не требуется.

Изобретение допускает использование известных тиристоров, которые используются на протяжении около 30 лет. В отличие от многих известных силовых электронных цепей, силовые электрические компоненты, применяемые согласно настоящему изобретению, доступны и не нуждаются в доработке. Кроме того, эти устройства имеют максимальное предельно допустимое напряжение, максимальный предельно допустимый ток и один из самых низких показателей прямого падения напряжения среди всех силовых электронных переключателей. Эти устройства также характеризуются низкими потерями, низкой стоимостью и могут работать в условиях высоких напряжений и сильных токов. Таким образом, современная технология позволяет применять УРПЗ в условиях высоких мощностей и высоких напряжений.

УРПЗ и ДППЗ имеют широкую область применения. Например, УРПЗ можно применять в качестве преобразователя переменного тока, где перенос мощности происходит без обычной промежуточной связи по постоянному току. Его также можно применять в качестве выпрямителя переменного тока, инвертора постоянного тока, преобразователя постоянного тока, преобразователя с несколькими входами/выходами, компенсатора гармоник, компенсатора реактивной мощности и электронного трансформатора.

Отличительной особенностью УРПЗ является то, что силовое преобразование многофазного переменного тока в многофазный переменный ток либо в постоянный ток не сопровождается генерацией гармоник. Причина заключается в том, что отбор заряда со всех фаз осуществляется пропорционально отношению входных фазных токов за счет дифференциальной зарядки средства накопления заряда от двух входных фаз с последующим переключением с одной из двух фаз на третью фазу. Этот процесс называется «дифференциальный и последовательный резонансный перенос заряда» (ДППЗ).

Осуществляя зарядку в течение регулируемых интервалов, нагружают многофазный источник питания переменного тока до нужного уровня мощности на любой части периода переменного тока. Однородно нагружая многофазный источник питания переменного тока, поддерживают сбалансированную и постоянную мощность. Управляемая зарядка позволяет отбирать заряд со входа синфазно с входным напряжением, что обеспечивает на входе единичный коэффициент мощности. Таким образом, на входе УРПЗ не нужно корректировать фазовый угол или устанавливать конденсаторы компенсации реактивной мощности. Данный способ применим не только к трехфазной силовой системе переменного тока, но предусматривает расширение до любой многофазной системы.

Благодаря управляемому разряду, преобразователь переменного тока может синтезировать выходную частоту и фазу.

Кроме того, преобразователь переменного тока может переносить энергию от источника питания переменного тока на вход/выход переменного тока, частота и фаза которого определяются другим источником питания переменного тока, например генератором. Если подача заряда производится синфазно напряжению другого источника питания переменного тока, то происходит перенос активной мощности переменного тока. Если же подача заряда производится со сдвигом по фазе относительно напряжения другого источника питания переменного тока, то имеет место также перенос реактивной мощности. Этот режим работы позволяет регулировать перенос мощности между двумя источниками питания переменного тока, отличающимися по фазе, напряжению и частоте.

Преобразователь переменного тока осуществляет регулируемый перенос мощности между системами с разными напряжениями. Он обеспечивает управляемый переток мощности к системе с нестабильным напряжением, фазой и частотой. Например, преобразователь переменного тока можно использовать в электрической сети в качестве шлюзового контроллера для управления перетоком мощности. Шлюзовой контроллер может регулировать переток мощности по линии передачи переменного тока и ограничивать переток мощности в соответствии с предельной/тепловой нагрузкой линии/ электропередачи. Шлюзовой контроллер можно также использовать для переноса мощности из одной региональной энергосистемы переменного тока в соседнюю энергосистему переменного тока. Его можно было бы использовать вместо связи по постоянному току между восточной, западной, техасской, мексиканской и канадской региональными сетями.

Шлюзовой контроллер можно также применять в качестве устройства управления перетоком мощности для подавления субгармонической нестабильности региональной сети переменного тока.

Преобразователь переменного тока можно также использовать для преобразования частоты источника питания переменного тока к другой выходной частоте. Эта возможность находит широкое применение, в частности, в электродвигателях с регулируемой скоростью вращения. Преобразователь переменного тока может непрерывно осуществлять динамическую регулировку в заданном диапазоне напряжения, частоты, фазы, активной мощности и реактивной мощности, поступающих на двигатель. Тот факт, что преобразователь переменного тока допускает управление перетоком мощности в двух направлениях, позволяет эксплуатировать двигатель в полном четырехквадрантном режиме, предусматривающем динамическое торможение.

- 2 008239

Согласно еще одному варианту применения, предусматривающему использование однофазного трансформатора либо в цикле зарядки, либо в цикле разрядки, УРПЗ может представлять собой электронный трансформатор с возможностями регулировки выходного напряжения, преобразования частоты и управления фазой. При этом на входе и выходе могут присутствовать как постоянный, так и переменный ток.

Однофазный трансформатор обеспечивает более широкий диапазон изменения коэффициента трансформации по напряжению, чем вышеупомянутый силовой преобразователь переменного тока. Однофазный трансформатор можно использовать как для повышения, так и для снижения входного напряжения. Кроме того, однофазный трансформатор можно использовать для обеспечения полной гальванической развязки между входом и выходом. Поскольку однофазный трансформатор расположен в высокочастотном блоке электронного преобразователя, размер магнитного сердечника можно уменьшить.

Кроме того, в обычном трансформаторе переменного тока магнитный поток поддерживается постоянно, при любом коэффициенте нагрузки, из-за чего его КПД значительно снижается при низких и средних нагрузках. Настоящее изобретение позволяет обеспечивать относительно постоянный КПД, поскольку магнитный поток возникает в сердечнике трансформатора только при передаче мощности.

Трансформатор может являться элементом зарядной цепи, когда он расположен между входными переключателями и средством накопления заряда, или элементом разрядной цепи, когда он расположен между средством накопления заряда и выходными переключателями.

Используя однофазный трансформатор, можно применять УРПЗ в качестве регулируемого электронного трансформатора. Когда на предприятии требуется понижать напряжение источника питания переменного тока, электронный трансформатор не только осуществляет трансформацию напряжения, регулировку выходного напряжения и компенсацию реактивной мощности, но также выступает в качестве электронного выключателя цепи, исключая необходимость в механическом распределительном устройстве.

Электронный трансформатор можно также использовать в качестве интерфейса между источником питания переменного тока и сетью переменного тока. С его помощью можно понижать напряжение, вырабатываемое генератором, до сетевого напряжения. Тот факт, что генератор не должен работать на частоте сети переменного тока, обеспечивает значительное повышение гибкости. Например, в качестве источника питания может выступать турбогенератор, ветрогенератор или гидроэлектростанция. Общеизвестно, что отбор мощности ветро- и гидрогенератора можно значительно повысить, если не принуждать генератор работать на постоянной частоте.

Электронный трансформатор можно использовать в качестве выпрямителя с понижением напряжения для промышленных процессов постоянного тока и в качестве выпрямителя, повышающего выходное напряжение генератора переменного тока, для прямой передачи постоянного тока.

Используя способ ДППЗ для силового выпрямления, можно полностью регулировать проходную мощность, чтобы получать на выходе постоянный ток с высокой степенью регулируемости и минимальной пульсацией выходного напряжения. Происходит резонансное высвобождение энергии из средства накопления заряда на выход постоянного тока.

Согласно предпочтительному варианту осуществления, на вход УРПЗ подают трехфазный переменный ток, а с выхода постоянного тока УРПЗ снимают положительное, отрицательное или биполярное напряжение. В отличие от стандартного способа выпрямления по схеме моста, в системе с заземлением не требуется никакой трансформаторной развязки. Кроме того, несколько выпрямительных модулей можно соединить параллельно и управлять проходной мощностью на каждом из них абсолютно независимо.

Особенность выпрямителя состоит в том, что его выходным напряжением можно управлять в широком диапазоне напряжения постоянного тока с почти мгновенной сменой полярности. В отличие от стандартного процесса выпрямления, в котором выходное напряжение ограничено максимальным значением, зависящим от входного напряжения переменного тока, данное изобретение позволяет выдавать значительно более высокое выходное напряжение, которое ограничивается только выбором активных и пассивных элементов. Возможность повышения напряжения означает, что, во многих случаях, можно использовать стандартные напряжения, не применяя трансформаторов, а также поддерживать постоянное значение выходного напряжения даже при значительном спаде напряжения источника переменного тока. Продолжительность спада может составлять порядка цикла, либо более длительный промежуток времени.

Предусмотрено несколько режимов регулировки напряжения, указанных ниже:

a) . Модуляция плотности импульсов путем увеличения или снижения количества циклов зарядки и разрядки в течение определенного интервала времени;

b) . Регулировка остаточного напряжения на средстве накопления заряда, обычно осуществляемая при выполнении цикла разрядки средства накопления заряда;

c) . Управление энергией, сообщаемой средству накопления заряда при выполнении цикла зарядки. б). Управление энергией, выделяемой средством накопления заряда при выполнении цикла разрядки.

- 3 008239

Важная особенность всех вариантов регулировки состоит в том, что для осуществления регулировки не требуются размыкатели, и регулировка осуществляется в режиме «мягкого переключения».

УРПЗ можно также применять в качестве инвертора путем обращения операции выпрямления. Инвертор сохраняет все вышеописанные преимущества выпрямителя.

Инвертор может синтезировать источник питания переменного тока с управляемой амплитудой напряжения, постоянной или переменной частотой и возможностью выбора фазового угла. Таким образом, энергию можно переводить из источника питания постоянного тока на выход переменного тока, частота и фаза которого определяется источником питания переменного тока. Инвертор может выдавать не только активную мощность, выдавая ток, синфазный напряжению, но также одновременно генерировать реактивную мощность, выдавая ток, опережающий или отстающий по фазе от напряжения переменного тока.

Преимущество накопления энергии в батарее, связанное с наличием двух режимов работы, выпрямления и инвертирования, находит следующее полезное применение. При избытке энергии в электрической сети, энергию можно отбирать на входе переменного тока, а при возрастании потребления мощности возвращать запасенную энергию.

Другой вариант применения относится к электродвигателям с регулируемой скоростью вращения. В режиме преобразования постоянного тока в переменный ток можно сообщать электродвигателю необходимые ему активную и реактивную мощности. Режим преобразования переменного тока в постоянный ток применяется при управляемом динамическом торможении, когда преобразователь переносит активную мощность на источник питания постоянного тока.

УРПЗ можно использовать в качестве преобразователя с несколькими входами/выходами, подключив к средству накопления заряда более двух силовых входов/выходов. Все эти блоки ввода/вывода могут иметь конфигурацию, обеспечивающую двусторонний переток мощности, причем блоки ввода/вывода могут предназначаться для переменного тока или для постоянного тока, что позволяет переносить электрический заряд или энергию с любого блока ввода/вывода на любой другой блок ввода/вывода. В состав такого преобразователя с несколькими входами/выходами может входить трансформатор. Это позволяет соединять силовые входы/выходы с разными уровнями напряжения. Преобразователь с несколькими входами/выходами имеет широкий круг использования. Две входные силовые шины переменного тока можно использовать для обеспечения источника избыточной мощности. Альтернативно, аналогичную конфигурацию трех блоков ввода/вывода можно объединить с средством накопления заряда для создания источника бесперебойного питания.

УРПЗ можно применять в качестве статического контроллера реактивной мощности, компенсатора гармоник, регулятора напряжения или контроллера пульсаций.

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения изложены в нижеследующем описании со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых фиг. 1 изображает принципиальную схему силового преобразователя с изменением частоты и возможностью двустороннего перетока мощности согласно изобретению;

фиг. 2 - диаграмму типичного процесса переноса заряда, происходящего в силовом преобразователе, при условии единичного коэффициента мощности на входе и выходе согласно изобретению;

фиг. 3 - график другого типичного процесса переноса заряда, происходящего в преобразователе, при условии единичного коэффициента мощности на входе, вывода реактивной мощности и повышения напряжения согласно изобретению;

фиг. 4 - принципиальную схему преобразователя постоянного тока с возможностью двустороннего перетока мощности согласно изобретению;

фиг. 5 - блок-схему преобразователя с несколькими входами/выходами, имеющего входы переменного тока и постоянного тока и выходы переменного тока и постоянного тока согласно изобретению;

фиг. 6 - принципиальную схему силового преобразователя, отвечающего другому варианту осуществления изобретения, одновременно осуществляющего операции ввода и вывода мощности согласно изобретению;

фиг. 7 - принципиальную схему динамического компенсатора реактивной мощности согласно изобретению;

фиг. 8 - диаграмму типичного процесса переноса заряда в динамическом компенсаторе реактивной мощности, действие которого подразделяется на два этапа согласно изобретению;

фиг. 9 - принципиальную схему электронного трансформатора, который осуществляет функции регулировки частоты и трансформации напряжения согласно изобретению;

фиг. 10 - схему электронного трансформатора, который одновременно осуществляет операции ввода и вывода мощности согласно изобретению;

фиг. 11 - принципиальную схему силового преобразователя на основе трех конденсаторов согласно изобретению;

фиг. 12 - диаграмму напряжений на конденсаторах и зарядных токов для силового преобразователя на основе трех конденсаторов в типичном процессе зарядки согласно изобретению;

- 4 008239 фиг. 13 - диаграмму нескольких периодов входных токов и напряжений силового преобразователя на основе трех конденсаторов согласно изобретению;

фиг. 14 - диаграмму нескольких периодов выходных напряжений силового преобразователя на основе трех конденсаторов согласно изобретению;

фиг. 15 - диаграмму напряжений на конденсаторах и зарядных токов для силового преобразователя на основе трех конденсаторов в типичном процессе зарядки при наличии остаточного напряжения на конденсаторах согласно изобретению;

фиг. 16 - схему силового преобразователя на основе трех конденсаторов согласно другому варианту осуществления изобретения;

фиг. 17 - диаграмму рабочих характеристик, выражающих зависимость перетока активной мощности от фазового угла остаточного напряжения для силового преобразователя на основе трех конденсаторов согласно изобретению;

фиг. 18 - диаграмму рабочих характеристик, выражающих зависимость перетока реактивной мощности от фазового угла остаточного напряжения для силового преобразователя на основе трех конденсаторов согласно изобретению;

фиг. 19 - диаграмму рабочих характеристик управления входной мощностью, выражающих соотношения между активной мощностью и реактивной мощностью при всевозможных фазовых углах остаточного напряжения для силового преобразователя на основе трех конденсаторов согласно изобретению;

фиг. 20 - диаграмму рабочих характеристик управления выходной мощностью, выражающих соотношения между активной мощностью и реактивной мощностью при всевозможных фазовых углах остаточного напряжения для силового преобразователя на основе трех конденсаторов согласно изобретению;

фиг. 21 - схему выходного блока силового преобразования с добавлением коммутирующих дросселей для снижения скорости изменения тока коммутирующих переключателей согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов изобретения

I. Силовой преобразователь переменного тока.

На фиг. 1 показана принципиальная схема УРПЗ согласно первому варианту осуществления изобретения использования в качестве силового преобразователя 5 переменного тока с преобразователем частоты и возможностью двустороннего перетока мощности. Существует несколько вариантов осуществления УРПЗ и способа ДППЗ, но все они предусматривают одинаковые основную структуру и принцип действия.

Преобразователь переменного тока можно непосредственно подключать к сети переменного тока, не применяя трансформатор. Это позволяет исключить потери на трансформаторе и сэкономить на стоимости, объеме и весе трансформатора. Очевидно, трансформатор можно использовать, если конкретное устройство спроектировано и сконструировано в расчете на другое входное напряжение.

Преобразователь 5 переменного тока содержит трехфазный вход 11 для подключения к трехфазному источнику переменного тока, трехфазный входной фильтр 10 низких частот, входной коммутационный блок 20, входной индуктивный блок 22, средство 25 накопления заряда, выходной индуктивный блок 26, выходной коммутационный блок 30, трехфазный выходной фильтр 40 низких частот и трехфазный выход 12 для вывода выходного напряжения.

Входной фильтр 10 снижает пульсации тока до пренебрежимо малой величины. Кроме того, фильтрация высоких частот снижает значения конденсатора и дросселя фильтра. Входной фильтр 10 содержит дроссели Ь111, Ы12 и Ы13 и конденсаторы СЙ3/1, СП2/1 и СП2/3. образующие Ь-С-цепь в конфигурации «треугольник». Можно также использовать конфигурацию «звезда». При частоте коммутации около 2000 Гц частоту среза входного фильтра низких частот выбирают равной около 600 Гц.

Входной коммутационный блок 20 управляет зарядкой средства 25 накопления заряда от фаз трехфазного источника питания. Входной коммутационный блок 20 содержит шесть входных переключателей (8ί1ρ, 8ί1η, 8ί2ρ, 8ί2η, 8ί3ρ и 8ί3η), попарно подключенных навстречу друг другу для каждой входной фазы. В качестве входных переключателей можно использовать тиристоры.

Входной индуктивный блок 22 образует, совместно со средством 25 накопления заряда, цепь резонансной зарядки. Входной индуктивный блок 22 содержит два парных дросселя Ьа1 и Ьа2. Ьа1 подключен последовательно между тремя входными переключателями, включенными в прямом направлении, (8ί1ρ, 8ί2ρ, 8ί3ρ) и средством 25 накопления заряда. Ьа2 подключен последовательно между тремя входными переключателями, включенными в обратном направлении, (δίΐη, δί2η, δί3η) и средством 25 накопления заряда. Хотя можно использовать один зарядный дроссель, показаны два дросселя.

Средство 25 накопления заряда накапливает заряд, поступающий со входных фаз, и высвобождает накопленный заряд на выход 12. Согласно данному варианту осуществления средство 25 накопления заряда содержит конденсатор Со, подключенный последовательно с дросселями Ьа1 и Ьа2.

Выходной индуктивный блок 26 образует совместно со средством 25 накопления заряда цепь резонансной зарядки. Выходной индуктивный блок 26 содержит два парных дросселя ЬЫ и ЬЬ2. Хотя можно использовать один разрядный дроссель, здесь для симметрии показаны два.

Выходной коммутационный блок 30 управляет разрядкой конденсатора Со. Выходной коммутационный блок 30 содержит шесть выходных переключателей (8ο1ρ, δο1η, δο2ρ, δο2η, δο3ρ и δο3η), попар

- 5 008239 но подключенных навстречу друг другу для каждой выходной фазы. В качестве выходных переключателей можно использовать традиционные тиристоры.

Ьа1 подключен последовательно между средством 25 накопления заряда и тремя выходными переключателями, включенными в прямом направлении, (8о1р, 8о2р, 8о3р). Ьа2 подключен последовательно между средством 25 накопления заряда и тремя выходными переключателями, включенными в обратном направлении, (8о1п, 8о2п, 8о3п).

Выходной фильтр 40 сглаживает любые пульсации, выдавая трехфазный выход переменного тока, практически лишенный гармоник. Выходной фильтр 40 содержит дроссели 1.Го1, Ьо!2 и 1.Го3 и конденсаторы С£а3/1, С£а2/1, С£а2/3, С£Ь3/1, С£Ь2/1 и С£Ь2/3, образующие конфигурацию «С-Ь-С» или Побразную конфигурацию. Если для входного фильтра выбрать П-образную конфигурацию, то схема будет абсолютно симметричной.

Способ ДППЗ.

Чтобы продемонстрировать принципы, лежащие в основе способа ДППЗ, и особенность автокоммутации, приведем математическое описание действия УРПЗ при единичном коэффициенте мощности на входе и выходе.

Входное и выходное фазные напряжения можно задать следующим образом:

VII = ν03Ϊη ((011:)	(1а)
νΐ2 = ν03ίη (ωιΐ-2π/3)	(1Ь)
νί3 = ν03ίη (α>ιί+2π/3)	(1с)
νοι = νΟΠ3ΐη (ωουΙ:)	(2а)
νΟ2 = νου3ϊη (ωοιΛ~2π/3)	(2Ь)
νο3 = νΟΠ3ϊη (ωοι1ϋ+2π/3)	(2с)

где V₀ - амплитуда входного фазного напряжения;

О) - частота источника питания переменного тока;

ν_η, ν^2 и ν_ι3 - входные фазные напряжения на входных фазах 1, 2 и 3 соответственно;

ν_Θυ - амплитуда выходного фазного напряжения;

О_ои - частота выходного фазного напряжения;

ν_σ1, ν_σ2 и у>₃ - выходные фазные напряжения на выходных фазах 1, 2 и 3 соответственно.

Мгновенные значения входных фазных напряжений упорядочены следующим образом: Ινφ^ν^ΐν^, и два из трех входных линейных напряжений заданы следующим образом: V_а = ΐν^-ν^Ι и Vь = ΐν^ν^Ι, где в качестве 1, и к может выступать фаза 1, 2 или 3.

Чтобы зарядить конденсатор Со и добиться автоматического запирания тиристоров, в момент !’=1'_о нужно открыть тиристоры, соответствующие самому высокому и самому низкому по абсолютной величине фазным напряжениям, т.е. входным фазам ΐ и к. Таким образом, на цепь, состоящую из последовательно соединенных конденсатора Со и дросселей Ьа1 и Ьа2, подается дифференциальное напряжение ν,. Это напряжение подается до тех пор, пока в момент ΐ'=ΐ'₁ не откроют тиристор, связанный с промежуточным по абсолютной величине фазным напряжением, т.е. входной фазой ф

Зарядный ток и напряжение на конденсаторе в течение ΐ'₀<ΐ'<ΐ'₁ (для удобства математических расчетов положим ΐ'₀ равным нулю) выражаются следующим образом:

1_С (Щ ) = Ι₀3ίη (ω_οΐ/ ) (За) где ν₀(Τ' ) = Уь(1-соз«0(ф' ) ) (ЗЬ)

ω0 = 1/ЧьСо	(4а)
Ζ = э/ъ/Со	(4Ь)
Ιο = ^/Ζ	(4с)
Ь - Ьа1+Ьа2	(40)

В момент времени ΐ'=ΐ'₁ открывают тиристор фазы у подавая дифференциальное напряжение ν на конденсатор 25. Кроме того, при подаче ν^ на противоположный вывод тиристора, связанного с фазой к, тиристор фазы к автоматически запирается.

В момент времени ΐ'=ΐ'₂, когда конденсатор Со оказывается полностью заряжен до дифференциального напряжения ν_ε(ΐ'₂), зарядный ток падает до нуля, и процесс зарядки завершается. Напряжение и ток на протяжении ΐ'₁>ΐ'>ΐ'₂ заданы выражениями (5) и (6).

1с(Е') = 1_тз1п(ш₀(Е'-И%)+ф) (5)

У_С(Г) = У_с(Т%)+1_тг[соз(ф)-соз(ю₀(Ъ'-Ц'₁)+ф) (б) где

- 6 008239

1_т = [Ι₁ ²Ζ²+(ν₃-ν₁)²]^1/2/Ζ(7) ф - 3Γθ3ίη[Ι₁Ζ/(Ιι²Ζ²+(ν₃-ν₁)²)^1/2](8) ί'₂ = £4+(π-φ)/ω₀; V! = У_с(£%); Ι_χ = 1_С(£' _χ)(9)

У_С(Ъ'₂) = ν_ο(£4)+Ι»Ζ(σθ5(φ)+1)(10)

Заряды, отобранные с фаз к и], выражаются следующим образом:

= С[Уь²з1п²(Оо£^,1) + (У_а-У_с(БЧ) )²]^1/2(11а)

Ок = СУ_с(ИМ)(11Ь)

Для отбора со входа мощности, без гармоник, отношение зарядов, отобранных с каждой входной фазы, должно быть равно отношению модулей входных фазных токов. Поскольку О, = -(0,+Р_к), ΐ'₁ выбирают так, чтобы отношение зарядов, отобранных с двух фаз и к, было равно отношению модулей входных токов фаз и к. Отсюда следует, что со входной фазы ΐ также отбирают надлежащий заряд.

Чтобы коэффициент мощности был равен единице, отношение токов должно быть равно отношению входных фазных напряжений.

Отсюда следует, что

КО/) = ________________Е(4)______________

V,(<»,<) (СО8(«!) + 1)т/Й (12)

Решая уравнение (12) относительно ΐ'ι, получаем однозначную зависимость времени ΐ'ι от входного фазового угла (щД). Значения ΐ'₁ можно вычислять и сохранять в виде таблицы, которую может считывать контроллер, отпирающий тиристоры в тот или иной момент времени, в зависимости от входного фазового угла.

Чтобы получить единичный коэффициент мощности на выходе, нужно осуществлять разрядку, обратную зарядке. Сначала открываются выходные тиристоры, соответствующие двум наибольшим по абсолютной величине выходным напряжениям, а затем тиристор, соответствующий наименьшему по абсолютной величине выходному напряжению, чтобы отношение зарядов, поданных на выходные фазы, было равно отношению выходных фазных токов.

Способ ДППЗ.

Режим единичного коэффициента мощности.

Приведем частный пример вышеописанного цикла зарядки применительно к силовому преобразователю переменного тока, изображенному на фиг. 1. Отбор мощности осуществляется с единичным коэффициентом мощности, вследствие чего отношения входных фазных напряжений оказываются равными отношениям входных фазных токов. Для облегчения понимания процесса будем описывать коммутацию с помощью входных фазных напряжений, а не входных фазных токов.

Пусть входной фазовый угол равен 80 электрическим градусам. При линейном напряжении трехфазного входа переменного тока 480 вольт (В) и частоте 60 герц (Гц) фазные напряжения У_п = 386 В, У_|2 = -252 В и У_|3 = -134 В (см. выражения 1а-1с).

Процесс зарядки начинается в момент ΐ'=ΐ'₀ с отпирания 8ΐ 1р (тиристора, соответствующего наибольшему по абсолютной величине фазному напряжению) и 8ΐ3η (тиристора, соответствующего наименьшему по абсолютной величине фазному напряжению). Таким образом, на входы дросселей Ьа1 и 1,а2 поступает линейное напряжение У_ь = 520 В. Начальное напряжение на конденсаторе Со равно 0 В (см. выражение 3Ь), и зарядный ток 1с1 через конденсатор вначале ведет себя как синусоидальная волна, что показано на фиг. 2 (см. выражение 3а). На протяжении первой части цикла зарядки ток Ш входной фазы 1 равен зарядному току 1с1, а ток 131 входной фазы 3 противоположен Ш.

В момент ΐ'=ΐ'₁, открывается тиристор 8ΐ2η (тиристор, соответствующий промежуточному по абсолютной величине напряжению). Напряжение входной фазы 2, равное -252 В, создает обратное смещение на 8ΐ3η, вызывая его автоматическое запирание. Таким образом, участие входной фазы 3 в процессе зарядки завершается.

В течение второй части цикла зарядки дифференциальное входное напряжение У_а = 638 В. Поскольку зарядный ток 1с1, текущий через дроссели, и напряжение Ус на конденсаторе не могут измениться мгновенно, то 1с1 и Ус не изменяются при открытии тиристора 8ΐ2η. Перенос заряда продолжается и завершается, когда напряжение на конденсаторе достигает максимальной величины, а зарядный ток, текущий через конденсатор, падает до нуля. В этот момент проводящие тиристоры 8ΐ1ρ и 8ΐ2η автоматически запираются.

Полагая Со = 200 мкФ и 1,аГ1,а2 = 50 мкГн, получаем из уравнения (12), что тиристор 8ΐ2η открывается в момент времени ΐ'1 = 136 мкс и запирается в момент времени ΐ'2 = 334 мкс. Согласно фиг. 2, ток, отбираемый с положительной входной фазы 1, равен сумме отрицательных токов входных фаз 2 и 3, взятой с противоположным знаком. Момент отпирания ΐ'₁ выбран так, чтобы отношение зарядов, отобранных с фаз 2 и 3, было прямо пропорционально входным фазным напряжениям фаз 2 и 3. В результате, энергия, отобранная со входа, пропорциональна квадрату входного напряжения.

- 7 008239

Теперь опишем процесс разрядки. В данном примере выходная мощность имеет единичный коэффициент мощности, и, таким образом, отношения выходных фазных напряжений равны отношениям выходных фазных токов. Для облегчения понимания процесса, будем описывать коммутацию с помощью выходных фазных напряжений, а не входных фазных токов.

На основании выходных частоты и амплитуды напряжения, обозначаемых как £_ои и У_ои, можно определить необходимые выходные напряжения. Например, при выходном фазовом угле 170 электрических градусов, три необходимых выходных фазных напряжения принимают следующие значения: У_о1 = 68 В, У_о2 = 300 В и У_о3 = -368 В (см. выражения 2а-2с).

Согласно фиг. 2, цикл разрядки начинается по окончании цикла зарядки. Сначала заряд подают на фазы, имеющие наибольшие по абсолютной величине фазовые напряжения. Согласно фиг. 2, в момент времени £₃ = 335 мкс отрываются тиристоры 8о2р и 8о3п. Таким образом, полностью заряженный конденсатор Со подключается к выходным фазам 2 и 3.

Разрядный ток 1со вначале ведет себя как синусоидальная волна, но его поведение изменяется в момент £₄, когда тиристор 8о1р открывается, подключая положительный вывод конденсатора Со к фазе, имеющей наименьшее по абсолютной величине фазное напряжение, т.е. к фазе 1. Поскольку напряжение на выходной фазе 1 меньше напряжения на выходной фазе 2, то тиристор 8о2р автоматически запирается, и разрядка продолжается через выходные фазы 1 и 3. Чтобы отношение зарядов, поданных в фазы 2 и 1, было прямо пропорционально выходным фазным напряжениям выходных фаз 2 и 1, в данном примере, Г₄ должно составлять 579 мкс.

Когда, в момент времени £₅, напряжение на Со падает до нуля, открывается шунтирующий переключатель 8шо 29, препятствуя зарядке Со с противоположной полярностью. Таким образом, остаточная энергия, накопленная в выходных дросселях ЬЫ и ЬЬ2, выделяется на выходные фазы 3 и 1. Когда ток через выходные дроссели падает до нуля, тиристоры 8о1р, 8о3п и 8^о автоматически запираются, и начинается новый цикл зарядки.

Выдача реактивной мощности и повышение выходного напряжения осуществляются следующим образом.

В вышеприведенном примере момент отпирания выходного тиристора 8о1р выбирают так, чтобы получить сбалансированные выходные токи, не содержащие гармоник, с единичным коэффициентом мощности и с нужным распределением энергии. Это особый и нетипичный случай, поскольку большинство нагрузок отбирают реактивную мощность, и силовой преобразователь обязан выдавать ее. Кроме того, необходимое выходное напряжение может превышать необходимое входное напряжение, для чего конденсатор Со требуется заряжать до более высокого напряжения.

Пример выдачи реактивной мощности и повышения напряжения приведен со ссылкой на фиг. 3. Поскольку в случае вывода реактивной мощности отношения выходных фазных напряжений не равны отношениям выходных фазных токов, то для описания коммутации будем использовать линейные токи.

Процесс зарядки осуществляется примерно так же, как в вышеприведенном примере, поскольку при этом отбирается только активная мощность. Повышения напряжения добиваются за счет начального остаточного напряжения на конденсаторе. Поскольку остаточное напряжение на конденсаторе равно -100 В, т.е. отлично от нуля, то момент отпирания тиристора 812п слегка сдвигается от ΐ'_χ = 136 мкс к Б = 134 мкс.

На основании выражений 2а-2с для выходных напряжений и полагая, что выходной ток опережает выходное напряжение на 30 электрических градусов (π/6), получаем

Ιοί = Ιοιη3ίη (ω_Ου£+π/6) = -68.34 А(13а)

102 = 1_Отз£п(ω_Οιί£~2π/3+π/6) = 196.96 А(13Ь)

103 = 1_отз1п (ω_οα£+2π/3+π/6) - -128.56 А(13с)

Фазные токи упорядочены следующим образом: |1_о2|>|1_о3|>|1_о1|. Поскольку необходимый ток выходной фазы 2 имеет наибольшее по абсолютной величине и положительное значение, то тиристор 8о2р остается открытым на протяжении всего периода разрядки, а 8о1п и 8о3п делят период разрядки между собой.

Эта последовательность разрядки отличается от приведенной в предыдущем примере по причине потребности в реактивной мощности. В предыдущем примере, на протяжении всего периода разрядки остается открытым 8о3р, тогда как между собой период разрядки делят 8о1п и 8о2п.

Другое отличие состоит в том, что начальное напряжение на конденсаторе Со равно -100 В. Это управляемое остаточное напряжение, оставшееся с предыдущего разряда, повышает входную энергию, тем самым увеличивая проходную мощность.

Еще одно отличие состоит в том, что максимальное напряжение на Со возрастает от 1194 В до 1294 В, и эта разница определяется отрицательным начальным значением остаточного напряжения на конденсаторе. В результате, пропускаемая энергия возрастает примерно на 18%. При постоянной частоте преобразователя проходная мощность возрастает с тем же коэффициентом.

- 8 008239

Помимо выдачи реактивной мощности, необходимое выходное напряжение возрастает на 10%, т.е. выходное (эффективное) линейное напряжение достигает 528 В. Таким образом, можно передавать мощность из сети более низкого напряжения в сеть более высокого напряжения, в данном случае от 480 до 528 В.

Тиристор 8о2р открывается в момент времени 1'₃ = 360 мкс. Поскольку на тиристор 8о3и подано большее отрицательное напряжение, он также открывается в момент 1'₃. В момент 1'₄ = 578 мкс открывается 8о1и. Такое время выбирают потому, что в этот момент отношение зарядов, отобранных с выходных фаз 1 и 3, равно отношению выходных токов на фазах 1 и 3, поскольку напряжение на выходной фазе 1 (68 В) превышает напряжение на выходной фазе 3 (-368 В), тиристор 8о3и автоматически запирается.

К моменту 1'₅ = 704 мкс конденсатор Со перезаряжается до -100 В. Поскольку таково выбранное остаточное напряжение для следующей зарядки, шунтирующий переключатель 29 8\\ό открывается, чтобы ограничить напряжение на конденсаторе и предотвратить его дальнейшую перезарядку. Для работы с отрицательным остаточным напряжением, между Со и 8\\ό нужно добавить дополнительный диод, препятствующий перезарядке Со через 8\\ό.

Кроме того, когда переключатель 8\\ό открыт, остаточная энергия, содержащаяся в разрядных дросселях ЬЫ и ЬЬ2, перетекает на выход. В момент времени 1'₆ = 760 мкс шунтирующий ток падает до нуля, и тиристоры 8\\ό. 8о1и и 8о2и автоматически запираются. На этом цикл разрядки завершается, и следующий цикл зарядки начинается с того же начального состояния, что и предыдущий цикл, а именно с остаточного напряжения -100 В.

Регулировку остаточного напряжения можно производить в разных целях. Остаточное напряжение можно снижать или повышать за счет более раннего или более позднего отпирания шунтирующего переключателя 8\\ό. Таким образом, можно уменьшать или увеличивать переток энергии в течение цикла.

Во-вторых, регулируя остаточное напряжение, можно передавать энергию от источника питания с более низким напряжением к потребителю, рассчитанному на более высокое напряжение. Этот режим повышения напряжения, в принципе, позволяет повышать напряжение до любого уровня. На практике, коэффициент трансформации ограничен предельно допустимыми напряжениями тиристоров и конденсаторов. Однако силовой преобразователь, рассчитанный на определенное напряжение, может функционировать при спадах напряжения, выдаваемого источником питания, и выдавать стандартную выходную мощность без повреждения электрических компонентов. Силовой преобразователь также может работать при положительном остаточном напряжении. В этом случае, переток энергии в течение цикла снижается, и силовой преобразователь может работать на частоте, достаточной для ограничения уровня гармоник при сниженном необходимом перетоке мощности.

В-третьих, имеется возможность полностью управлять активной и реактивной составляющими выходной мощности. При одном и том же фазовом угле выходного напряжения, можно выдавать выходной ток в фазе с выходным напряжением, с опережением или отставанием от напряжения на 90 электрических градусов или с произвольным фазовым углом между ними. Однако по мере возрастания фазового угла, нужно увеличивать остаточное напряжение. В конце концов, когда разность фаз достигает 90 градусов, остаточное напряжение должно быть равно начальному напряжению, но с противоположным знаком, ввиду отсутствия передачи полезной энергии.

При наличии второго шунтирующего переключателя 21 8\\όγ силовой преобразователь может функционировать как двусторонний силовой преобразователь. При перетоке мощности слева направо, конденсатор Со заряжается положительно. Напротив, при перетоке мощности справа налево, конденсатор Со заряжается отрицательно.

Переключатель 8\νί можно использовать в процессе зарядки совместно со входными размыкателями при перетоке мощности слева направо, а δνίτ используется совместно с размыкателями при перетоке мощности справа налево.

Выводы.

Из вышеприведенных примеров можно вывести обобщенный способ переноса заряда и переключения, который предусматривает автоматическое запирание переключателей. Обобщенный способ осуществления цикла зарядки при данном входном фазовом угле содержит следующие этапы:

1) отпирают входной тиристор, (ί) соответствующий максимальному по абсолютной величине входному фазному току и (и) включенный в направлении максимального по абсолютной величине входного фазного тока;

2) для остальных двух входных фаз отпирают входной тиристор, (ί) включенный навстречу входному тиристору, открытому на этапе 1, и (ίί) (а) если это встречное направление - прямое, то это тиристор, соответствующий выходной фазе с более низким положительным значением напряжения, или (Ь) если это встречное направление - обратное, то это тиристор, соответствующий выходной фазе с более низким отрицательным значением напряжения;

3) отпирают входной тиристор другой из двух остальных входных фаз (ί), включенный навстречу входному тиристору, открытому на этапе 1, (ίί) в момент времени, когда отношение зарядов, отобранных с двух остальных входных фаз, равно отношению входных токов двух остальных входных фаз.

- 9 008239

Обобщенный способ осуществления цикла разрядки при данном выходном фазовом угле содержит следующие этапы:

1) отпирают выходной тиристор, (ί) соответствующий максимальному по абсолютной величине выходному фазному току и (и) включенный в направлении максимального по абсолютной величине выходного фазного тока;

2) для остальных двух выходных фаз, отпирают выходной тиристор, (ί) включенный навстречу выходному тиристору, открытому на этапе 1, и (и) (а) если это встречное направление - прямое, то это тиристор, соответствующий выходной фазе с более высоким положительным значением напряжения, или (Ь) если это встречное направление - обратное, то это тиристор, соответствующий выходной фазе с более высоким отрицательным значением напряжения;

3) отпирают выходной тиристор другой из двух остальных входных фаз, (ί) включенный навстречу выходному тиристору, открытому на этапе 1, (й) в момент времени, когда отношение зарядов, поданных в две остальные входные фазы, равно отношению выходных токов двух остальных выходных фаз;

4) отпирают шунтирующий переключатель, когда напряжение на конденсаторе достигает заданного значения остаточного напряжения.

Выпрямитель.

УРПЗ можно использовать в качестве выпрямителя. Выходом (фиг. 1) можно управлять таким образом, чтобы напряжения и токи двух выходных фаз были равны друг другу, но имели противоположную полярность.

Например, при выходном фазовом угле 60 электрических градусов, выходные фазные напряжения принимают следующие значения: ν_ο1 = +0.87ν_ου, ν_ο2 = 0.0 В и ν_ο3 = -0.87ν_ου (см. выражения 2). Продолжение процесса при этом выходном фазовом угле дает выход постоянного тока, поскольку в первую выходную фазу подается положительный заряд, во вторую выходную фазу не подается никакого заряда, а в третью выходную фазу подается отрицательный заряд. Поскольку во вторую выходную фазу не поступает никакой энергии и никакого заряда, ее можно не рассматривать, и, таким образом, выход приобретает двухпроводную конфигурацию. Отсюда следует, что напряжение между выходной фазой 1 и выходной фазой 2 можно поддерживать постоянным и, таким образом, выдавать постоянный ток.

Ввиду отсутствия гальванической связи между входом и выходом, положительный или отрицательный вывод можно заземлить и, таким образом, выдавать постоянный ток положительной или отрицательной полярности. Если не заземлить один из двух выводов, получится абсолютно нестабилизированный источник постоянного тока.

Процесс разрядки в режиме постоянного тока является частным случаем процесса разрядки в режиме переменного тока и предусматривает применительно к вышеприведенному примеру этап отпирания тиристоров 8о1р и 8о3и в начале цикла разрядки. Как только конденсатор Со разряжается до выбранного остаточного напряжения, открывается шунтирующий переключатель 8\\ό. как и в режиме переменного тока. В результате, перезарядка конденсатора Со прекращается, и остаточная энергия, накопленная в выходных зарядных дросселях ЬЬ1 и ЬЬ2, переходит в фазы 1 и 3. Когда выходной ток падает до нуля, все три тиристора 8ор1, 8ои3 и 8\\ό получают обратное смещение и автоматически запираются.

Поскольку остальные переключатели 8о1и, 8о2р, 8о2и и 8о3р не используются, их можно удалить из схемы, изображенной на фиг. 1. Для работы в обоих направлениях требуются два тиристора 8о1и и 8о3р.

Максимальное выходное напряжение постоянного тока обычно, т.е. без применения режима повышения напряжения, составляет около 60% эффективного входного напряжения переменного тока. При использовании режима повышения напряжения, выходное напряжение можно повышать, регулируя остаточное напряжение. Кроме того, выходной фазовый угол можно менять от одного цикла разряда до следующего на 180 электрических градусов, полностью обращая полярность постоянного тока.

Этот выпрямитель, не выдающий гармоник, имеет единичный коэффициент мощности. При отборе мощности с асинхронного генератора циклом зарядки можно управлять для отбора реактивной мощности, тем самым обеспечивая нужный ток возбуждения, или можно повышать коэффициент мощности источника питания.

Инвертор.

Подключив выпрямитель в обратном направлении, получим инвертор, который может работать в режиме повышения напряжения и управлять реактивной мощностью на выходе переменного тока.

Процесс зарядки в режиме постоянного тока является частным случаем процесса зарядки в режиме переменного тока. Положив входной фазовый угол переменного напряжения равным 60 электрическим градусам, получим следующие значения фазных напряжений: ν_ιι = +0.87 ν₀, ν_ι2 = 0.0 В и ν_ι3 = -0.87 ν₀ (см. выражения 1). В случае единичного коэффициента мощности с фазы 2 не происходит отбора заряда, и входное напряжение У,, составляет 1.73 ν₀. Процесс зарядки начинается с отпирания входных тиристоров 811р и 8ί3η в момент времени ΐ' = 0. Процесс зарядки проходит в соответствии с выражениями 3а и 3Ь, где вместо У_ь подставлено 1.73 ν₀. Процесс зарядки продолжается до тех пор, пока зарядный ток не упадет до нуля в момент времени ΐ'₂ = π/ω_ο. Согласно выражению 3Ь максимальное напряжение на конденсаторе вдвое превышает входное напряжение между входными фазами 1 и 3.

- 10 008239

То же условие зарядки можно получить, если заменить трехфазный источник питания переменного тока источником питания постоянного тока, выдающего напряжение Уве, равное входному напряжению 1.73У₀. Положительный вывод источника питания подключен ко входу δίΐρ, а его отрицательный вывод к 8ί3η.

Поскольку другие тиристоры в процессе зарядки не используются, остальные четыре входных тиристора можно исключить. Однако для работы в обоих направлениях требуются тиристоры 8ί1η и 8ί3ρ.

Преобразователь постоянного тока.

Схему (фиг. 1) можно также использовать в качестве преобразователя постоянного тока. Процесс зарядки в режиме постоянного тока идентичен процессу зарядки, осуществляемому в инверторе, а процесс разрядки в режиме постоянного тока идентичен процессу разрядки в выпрямителе.

На фиг. 4 показана схема преобразователя постоянного тока, который может работать в обоих направлениях. Источник питания постоянного тока подключен ко входу 50 постоянного тока, который, в свою очередь, подключен к входному коммутационному блоку 54 через входной фильтр 52. Зарядные дроссели Ьа1 и Ьа2, конденсатор 25, выходные дроссели ЬЫ и ЬЬ2 и шунтирующие переключатели 21 и 29 сохранены. Выходной коммутационный блок 56 и выходной фильтр 57 идентичны входному коммутационному блоку 54 и входному фильтру 52.

Тиристоры 8ί1η, 8ί2ρ, 8\\όγ. 8ο1η и 8ο2ρ можно исключить только в том случае, если требуется односторонний переток мощности. Кроме того, если выровнить потенциал на отрицательных клеммах входа и выхода, то все дополнительные компоненты и нижнюю половину схемы можно исключить, тем самым значительно ее упростить.

Прямые падения напряжения на двух переключателях создают основные потери в преобразователе постоянного тока с минимальной регулировкой. Его работа не предусматривает принудительного размыкания переключателей, что позволяет использовать тиристоры в режиме «мягкого переключения» и автоматического запирания.

Управление преобразователем постоянного тока осуществляется по тому же принципу, что и управление преобразователем переменного тока. Мощность можно регулировать, изменяя частоту преобразователя, так и изменяя остаточное напряжение. Замена входных или выходных зарядных дросселей однофазным трансформатором, как будет описано ниже, позволяет в большей степени повышать или понижать напряжение при передаче мощности постоянного тока. Отношение напряжений определяется коэффициентом трансформации по соотношению витков и дополнительной возможностью регулировки преобразователя.

Преобразователь с несколькими входами/выходами.

В силовом преобразователе (фиг. 1) к средству 25 накопления заряда подключены один входной блок (содержащий входной фильтр 10 и входные переключатели 20) и один выходной блок (содержащий выходные переключатели 30 и выходной фильтр 40). Благодаря двум шунтирующим переключателям 21 и 29, каждый из этих блоков может функционировать как входной блок либо как выходной блок. Их можно попеременно использовать в той и другой роли от цикла к циклу.

Средство 25 накопления заряда, шунтирующие переключатели 21 и 29, входной индуктивный блок 22 и выходной индуктивный блок 28 образуют центральный блок 33. Количество дросселей можно уменьшить с четырех до одного, подключив единственный дроссель последовательно с конденсатором Со, что обеспечивает тот же самый резонансный период зарядки и разрядки.

Для обеспечения дополнительных выходов, выходов или двусторонних интерфейсов, можно сформировать более двух соединений с центральным блоком 33. На фиг. 5 показан преобразователь с несколькими входами/выходами, содержащий три входа/выхода переменного тока 62, 64 и 66, подключенных к центральному блоку 33 через три идентичных входных/выходных коммутационных блока 20 и входных/выходных фильтра 10. Кроме того, имеются два входа/выхода постоянного тока 50 и 59 для подключения источника питания постоянного тока и нагрузки постоянного тока, которые можно подключать к центральному блоку 33 через входные/выходные фильтры 52 и 57 и входные/выходные коммутационные блоки 54 и 56.

Такая конфигурация позволяет использовать несколько источников питания и несколько нагрузок. Мощность можно поочередно отбирать с нескольких источников питания, иными словами, можно последовательно подключать то один источник питания, то другой, производя такое переключение либо на протяжение нескольких циклов зарядки или на каждом новом цикле зарядки. Возможность использования преобразователя с несколькими входами/выходами в совокупности с источниками питания и нагрузками как постоянного, так и переменного тока обеспечивает максимальную гибкость эксплуатации.

Силовой преобразователь с одновременным переносом заряда на входе и выходе.

На фиг. 6 показана принципиальная схема силового преобразователя, в котором применяется процесс одновременного дифференциального и последовательного переноса заряда. Конфигурация этой схемы соответствует преобразователю постоянного тока, однако, этой схеме можно придать конфигурацию, обеспечивающую выпрямление, инвертирование и прямое преобразование постоянного тока.

- 11 008239

Эта схема действует иначе, чем схема, изображенная на фиг. 1, поскольку в данном случае применяется прямой переток энергии со входа на выход вместо последовательных перетоков со входа в конденсатор и с конденсатора на выход.

В схеме используются те же входные переключатели (811рц, 812рц, 813рц, 8ί1η1, 812р1, 8ί3η1), выходные переключатели (8о1рц, 8о2ри, 8о3рц, 8οΙηΙ. 8ο2η1, 8ο3η1) для коммутации, схемы, изображенной на фиг. 1, в которой ток течет по ходу часовой стрелки (режим С\У). Однако имеется и второй комплект входных переключателей (811иц, 812иц, 813иц, δί 1 р1, 812р1, 813р1) и выходных переключателей (8о1пц, 8о2пц, 8о3пц, 8о1р1, 8о2р1, 8о3р1), обеспечивающий протекание тока против хода часовой стрелки (режим СС\У).

В режиме С\У один из тиристоров 811рц, 812рц или 813рц подключает соответствующую положительную фазу к верхнему промежуточному входному контакту Рш, а верхний промежуточный выходной контакт Рои подключается с помощью одного из тиристоров 8о1рц, 8о2рц или 8о3рц к соответствующей выходной фазе. В то же время, нижний промежуточный выходной контакт Ро1 подключается с помощью одного из тиристоров, включенных в обратном направлении, а именно 8о1и1, 8о2и1 или 8о3и1, к другой выходной фазе, а другая входная фаза подключается к нижнему промежуточному входному контакту Р11 через один из тиристоров 8ί1ηί, 8ί2ηί или 8ί3ηί. В состав схемы также входят последовательно соединенные конденсатор Ски и дроссель ЬЫ, образующие последовательный резонансный контур. Второй конденсатор Ск1 и второй дроссель ЬЬ2 являются необязательными элементами, но их можно добавить, чтобы сделать схему симметричной и в некоторых вариантах применения для других целей, например дополнительной развязки.

Для зарядки и разрядки выбирают первые два входных тиристора и первые два выходных тиристора.

При указанной полярности двух конденсаторов Ски и Ск1, протекание тока по ходу часовой стрелки сопряжено с отбором энергии из двух подключенных входных фаз и непосредственной подачей ее в две подключенные выходные фазы. При отборе достаточного заряда с одной из входных фаз, выбрав соответствующий входной переключатель, подключают третью входную фазу, и процесс зарядки продолжается.

Аналогично, когда в одну из выходных фаз подан нужный заряд, подключают третью выходную фазу, и процесс разрядки продолжается. Переключение третьего входного переключателя может происходить раньше или позже переключения третьего выходного переключателя, в зависимости от входного или выходного фазовых углов. По мере продолжения процесса зарядки в направлении хода часовой стрелки, показанная полярность конденсаторов сменяется противоположной, и перенос заряда прекращается. Перенос заряда зависит от начального напряжения на конденсаторе, следовательно, переносом заряда и энергии в течение цикла можно управлять посредством величины напряжения.

Если выходное напряжение ниже входного напряжения, то основная теория и моделирование показывают, что конечная величина напряжения на конденсаторе оказывается больше. Чтобы регулировать возрастание напряжения, открывают шунтирующий переключатель 8оГАс, останавливая дальнейшую перезарядку и направляя оставшуюся энергию дросселей на выход. Как только ток падает до нуля, остальные три переключателя автоматически запираются. При отпирании 8оГ\сс входные переключатели запираются.

Если выходное напряжение выше входного, то конечное напряжение на конденсаторе оказывается ниже, если допустить завершение процесса. Чтобы поддерживать на конденсаторе одну и ту же величину напряжения для последующей операции, отпирают повышающий переключатель 81с|сс до того, как ток через дроссель упадет до нуля. Таким образом, дальнейший разряд на выход прекращается, и, если произвести отпирание в надлежащий момент времени, конденсаторы оказываются заряженными до нужного уровня. Переключатели 8оГ\ус и 81с|сс позволяют регулировать напряжение на конденсаторе, а следовательно, и переток мощности.

Когда ток падает до нуля и полярность конденсатора меняется на противоположную, переходят в режим ССХУ, открывая на выбор один из переключателей 811иц, 812иц или 813ш для подключения верхнего промежуточного входного контакта Рш; 8о1иц, 8о2иц или 8о3иц для подключения верхнего промежуточного выходного контакта Ро1; и 811р1, 812р1 или 813р1 для подключения нижнего промежуточного выходного контакта Р11. Два тиристора 8оГ\ссс и 81с|ссс осуществляют шунтирование и регулировку напряжения в режиме СС\У.

При тех же условиях, что показаны на фиг. 2, при входном фазовом угле 80 электрических градусов и выходном фазовом угле 170 электрических градусов, при подключении к трехфазному источнику питания переменного тока с линейным напряжением 480 В, мгновенные значения входных и выходных фазных напряжений равны: У_п = 386 В, У₁₂ = -252 В, У₁₃ = -134 В, У_о1|| = 68 В, У_ои2 = 300 В и У_ои3 = -368 В. Используя вышеописанную методику, переключатели 811рц, 813и1, 8о3рц, 8о3и1 открывают, чтобы войти в режим С\У. Ток течет от положительной входной фазы 1 к положительной выходной фазе 2 и в противоположном направлении от отрицательной выходной фазы 3 к отрицательной входной фазе 3.

При одном и том же резонансном периоде, который определяется конденсатором и дросселями, тиристор 8ί2η1 открывается в момент времени 136 мкс, вызывая запирание тиристора 8ί3η1. В ходе разряд

- 12 008239 ки в момент примерно 300 мкс открывают включенный в прямом направлении выходной тиристор 8о1ри, вызывая запирание тиристора 8о2ри.

Поскольку при данных фазовых углах выходное напряжение выше выходного напряжения (|У₁₁|>|У_ои3|), открывают шунтирующий переключатель 8о1\тс. останавливая перезарядку двух конденсаторов. В этот момент входные тиристоры закрываются. В ходе переноса энергии в момент 334 мкс выходной ток падает до нуля, и остальные переключатели запираются. На этом работа в режиме СШ заканчивается.

В режиме ССШ происходит такой же отбор энергии со входа и подача энергии на выход и для подключения каждой фазы используется тиристор, включенный в противоположном направлении. В этом режиме ток течет против хода часовой стрелки, и конденсатор заряжается до своего исходного состояния.

Такая цикличность позволяет доводить рабочий цикл переноса мощности почти до 100%. Управление проходной мощностью осуществляется посредством рабочей частоты и напряжения на конденсаторе. Поскольку напряжение можно регулировать в широком диапазоне, пропускание за цикл ограничивается только предельными напряжениями и токами активных и пассивных компонентов. Схема позволяет работать на высокой частоте преобразователя независимо от проходной мощности, поскольку мощностью можно полностью управлять, выбирая напряжение на конденсаторе. Это дает то преимущество, что при снижении потребности в проходной мощности, удается поддерживать низкую частоту пульсаций на входе и выходе. Такую низкую частоту пульсаций можно поддерживать вплоть до нулевой выходной мощности за счет того, что система поддерживает на выходном фильтре необходимое напряжение, перенося только необходимую реактивную мощность.

В сравнении с динамическим компенсатором реактивной мощности (ДКР) (фиг. 7), данную схему можно применять в качестве ДКР без использования выходных тиристоров. Очевидно, можно усовершенствовать схему таким образом, чтобы она позволяла управлять не только проходной мощностью, но и обеспечивала бы полное управление входной реактивной мощности.

Компенсатор гармоник.

В процессе зарядки (фиг. 2) силовой преобразователь переменного тока выдает синусоидальный ток, синфазный выходному фазному напряжению. В процессе зарядки (фиг. 3) перенос заряда происходит таким образом, что одна составляющая выходного тока находится в фазе с выходным напряжением (активная мощность), а вторая составляющая выходного тока смещена по фазе относительно выходного напряжения (реактивная мощность).

Составляющие тока можно изменять по отношению к выходному фазному напряжению переменного тока. В целом, под управлением современного микропроцессора и программируемых логических устройств, можно построить любую форму волны повторяющегося выходного тока в пределах восстановительного разрешения силового преобразователя переменного тока.

В наиболее общем виде форму волны тока можно представить, разложив первый выходной фазный ток в ряд Фурье % = £ (4 «Ο8(ηύν) + В_п 8ίη(Λ6ν)] (14) и=1 '

Выражение для тока двух других фаз имеет аналогичный вид и отличается только сдвигом фазы на 120 и 240 электрических градусов соответственно. Множество всех трехфазных токов задает, при любом значении выходной фазы (ω_ουΐ), необходимый перенос заряда на всех трех выходных фазах.

Таким образом, силовой преобразователь переменного тока можно настроить на перенос активной мощности, задав В₁ равным нулю, и на компенсацию реактивной мощности, задав А₁ равным единице.

Можно предусмотреть конфигурацию УРПЗ, в которой он действует как компенсатор гармоник, нейтрализуя гармоники на линии, генерируемые другими нагрузками, входящими в систему. Существует несколько подобных конфигураций компенсатора гармоник. Например, компенсатор гармоник может иметь вход, подключенный к источнику питания или любому другому средству накопления энергии, и выход, подключенный к системе потребления мощности переменного тока, которая создает гармоники, подлежащие коррекции. Система коррекции гармоник будет выдавать флуктуацию полезной энергии гармоник в течение периода переменного тока. Кроме того, ток гармоник можно отбирать одновременно со входной мощностью.

Компенсатор реактивной мощности.

УРПЗ можно также применять в качестве динамического компенсатора реактивной мощности (ДКР). ДКР это компенсатор реактивной мощности, способный реагировать на изменение необходимой реактивной мощности, смещая ток относительно напряжения на долю периода электрических колебаний. ДКР может ступенчато регулировать переток реактивной мощности от опережения на 90 градусов до отставания на 90 градусов с шагом менее одной десятой периода колебаний источника питания. Такая скорость позволяет использовать ДКР в качестве компенсатора реактивной мощности для управления пульсацией, регулировки напряжения и стандартной компенсации реактивной мощности.

- 13 008239

ДКР работает на собственной частоте, значительно превышающей промышленную частоту переменного тока. Благодаря использованию фильтра низких частот с низкой частотой среза, ток, отбираемый ДКР, не содержит гармоник, отвечая всем требованиям ΙΕΕΕ 519-1992 и 1ЕС 555-2.

Схема действует по принципу «мягкого переключения» и автоматического запирания тиристоров и не предусматривает принудительного размыкания переключателей и относительно малой 6Ι/61. Низкая 6Ι/61 необходима при использовании стандартных КУД (кремниевых управляемых диодов), имеющих высокие предельно допустимые напряжения и мощности. Такие устройства существуют и применяются в электроэнергетике с 1970 г. для передачи высоковольтного постоянного тока и в других целях. Применение высоковольтных тиристоров большой мощности позволяет использовать топологию ДКР не только в промышленных установках, но и на энергетических установках высокого напряжения и многомегаваттной мощности.

Кроме того, КУД является самым дешевым силовым электронным устройством, имеет минимальные потери на электропроводность и допускает последовательное соединение, позволяющее создавать переключатели, рассчитанные на миллионы вольт. Переключение таких коммутационных блоков полностью разработано как для непосредственного, так и для волоконно-оптического переключения.

Остальные компоненты также являются стандартными и не требуют никакой дополнительной технологической доработки.

ДКР действует по тому же принципу ДППЗ, что и вышеописанный силовой преобразователь переменного тока. В силовом преобразователе переменного тока, первый цикл переноса заряда заключается в том, что конденсатор Со накапливает энергию, отбираемую от источника тока. Второй цикл переноса заряда заключается в том, что конденсатор отдает энергию на выход. Работа ДКР сводится к двум аналогичным процессам переноса заряда; однако, в стационарном режиме, между конденсатором Со и силовым входом/выходом переменного тока не происходит переноса полезной энергии. Полезный эффект состоит в перераспределении энергии между тремя фазами переменного тока.

На фиг. 7 изображена принципиальная схема динамического компенсатора реактивной мощности. Существует несколько вариантов этой схемы, но в основе их работы лежит один и тот же принцип или сходные принципы.

ДКР можно подключать непосредственно к сети 70 переменного тока, не используя трансформатор. Это позволяет избежать потерь на трансформаторе, сэкономить на стоимости, объеме и весе развязывающего трансформатора. Трансформатор можно использовать, если требуется другое входное напряжение.

Собственную частоту выбирают по соображениям оптимизации характеристик и минимизации стоимости компонентов и эксплуатационных расходов. При рабочей частоте около 2400 Гц, частоту среза низкочастотного входного фильтра 72 выбирают около 600 Гц, чтобы снизить пульсации тока до пренебрежимо малой величины. Фильтр состоит из конденсаторов Сй и дросселей Ьй. Конденсаторы фильтра соединены «треугольником», хотя можно использовать соединение «звездой».

Центральным компонентом является конденсатор Со 74. В начале цикла зарядки этот конденсатор обычно заряжен до остаточного напряжения. По обе стороны конденсатора подключены блоки переноса заряда. Слева находится блок 76, осуществляющий этап «а» переноса заряда, а справа находится блок 78, осуществляющий этап «Ь» переноса заряда. Эти два блока попеременно обращают полярность напряжения на конденсаторе Со и, таким образом, отбирают реактивный ток из трех фаз 70 переменного тока.

В начале этапа «а» переноса заряда на конденсаторе Со имеется отрицательное остаточное напряжение. Процесс зарядки начинается отпиранием первого и второго из переключателей 82 для подключения первой и второй фаз сети переменного тока к конденсатору Со. Длительность переноса заряда зависит от индуктивности Ьа (полагаем, что емкость Со выбрана из других соображений) . Индуктивность Ьа блока «а» реализуется посредством двух дросселей, Ьа1 84 и Ьа2 86. Индуктивность ЬЬ блока «Ь» реализуется посредством двух дросселей, ЬЬ1 87 и ЬЬ2 88. Все четыре дросселя можно заменить одним дросселем, соединенным последовательно с конденсатором Со.

Перенос заряда начинается с синусоидальной полуволны. Когда на этапе «а» переноса заряда со второй фазы извлечен нужный заряд, открывается тиристор третьей фазы. Последовательность зарядки выбирают таким образом, чтобы при отпирании тиристора третьей фазы, тиристор второй фазы получал обратное смещение и автоматически запирался. Перенос заряда продолжается и, когда ток через конденсатор падает до нуля, завершается. В этот момент два проводящих тиристора автоматически запираются, завершая цикл зарядки.

По окончании цикла зарядки начинается этап «Ь» переноса заряда. Конфигурация этапа «Ь» переноса заряда такова, что обмен зарядом с сетью переменного тока осуществляется так же, как и на этапе «а» переноса заряда. Схема блока 78, осуществляющего этап «Ь» переноса заряда отличается от схемы блока 76, осуществляющего этап «а» переноса заряда, полярностью подключения к конденсатору Со 80. Вследствие обратного подключения, напряжение на конденсаторе Со полностью меняет полярность. Таким образом, не происходит ни отбора полезной энергии из сети, ни передачи ее в сеть, поскольку энергия конденсатора Со остается неизменной.

- 14 008239

На фиг. 8 показана диаграмма процесса переноса заряда, отражающая два цикла работы динамического компенсатора реактивной мощности, изображенного на фиг. 7. Компоненты были подобраны так, чтобы частота полного переноса заряда составляла 4000 Гц, т.е. чтобы за секунду выполнялось 2000 циклов, каждый из которых содержит этап «а» и этап «Ь» переноса заряда. Для этого Со = 100 мкФ и Ьа+ЬЬ = 40 мкГн. Напряжение сети было выбрано равным 480 В, и графики переноса заряда, показанные на фиг. 8, соответствуют входному фазовому углу 40 электрических градусов. Шунтирующие переключатели 8ша и 8шЬ, показанные на фиг. 7, не являются необходимыми компонентами. Тем не менее, переключатели, подключенные параллельно конденсатору Со (8^а1 и 8^Ь1) или подключенные последовательно Со (8ша2 и 8шЬ2), повышают гибкость управления.

Входное напряжение и реактивный ток заданы следующими выражениями:

Ух = ν₀3ίη(ω£) = 252 В 1_Г1 = 1_гоСОЗ (ωΐ:) = 39.7 А ν₂ = ν₀3ίη (ωϋ-2π/3) = -386 В 1_г2 = 1_г0соз (ωΡ-2π/3) = 59.6 А

Уз = ν₀3Ϊη (ωΕ+2π/3) = 134 В 1_г3 = 1_г0соз (ωί+2π/3) = -99.3 А

Полагая, что в результате предыдущей операции или предварительной зарядки входной формой волны остаточное напряжение на конденсаторе Со оказалось равным -1200 В, получаем, что перенос заряда проходит следующим образом.

Согласно обобщенному способу зарядки, входные тиристоры 8а2р и 8а3п открываются в момент времени 1'=0, подавая фазные напряжения ν₂ и ν₃ на конденсатор Со. Ток 1с в дросселях Ьа1 и ЬЬ2 растет, отбирая заряд с фазы 2 и подавая тот же заряд в фазу 3, как показано на фиг. 8.

В какой-то момент выполнения цикла зарядки, а именно, 1'₁, открывается тиристор 8а1р. Поскольку ν₁ имеет более высокое положительное значение, чем ν₂, то тиристор 8а2р получает обратное смещение и автоматически запирается. Перенос заряда продолжается между фазой 1 и фазой 3. В момент времени 1'₂ = 244 мкс ток падает до нуля, и два проводящих тиристора 8а1р и 8а3п получают обратное смещение и запираются.

Отпирание в момент 1'₁ определяется величинами реактивного тока трех фаз, 1_г1, 1_г2 и 1_г3. Отпирание в момент 1'₁ = 134 мкс обеспечивает перенос заряда, пропорциональный необходимому реактивному току, и приводит к тому, что напряжение на конденсаторе оказывается равным исходному остаточному напряжению, но противоположным по знаку.

Более раннее отпирание 8а1р ведет к зарядке конденсатора до более высокого напряжения и отбору, помимо реактивной мощности, некоторой активной мощности. Такое повышение напряжения на конденсаторе может понадобиться для компенсации потерь на компонентах или в целях повышения перетока реактивной мощности без необходимости изменять частоту ДКР. С другой стороны, задержка отпирания приводит к возврату части энергии конденсатора в сеть переменного тока. В реальной системе, время 1'₁ можно либо вычислять в режиме реального времени или предварительно вычислять и хранить в справочной таблице. Сохраненное значение является функцией входного фазового угла и напряжения на конденсаторе.

На этапе «Ь» переноса заряда используется тот же обобщенный способ зарядки. Этап «Ь» переноса заряда начинается в момент времени 1'₃ = 250 мкс отпиранием тиристоров 8Ь2р и 8Ь3п. В результате, Со опять же подключается к фазе 2 и фазе 3 с надлежащей полярностью. Единственное отличие этапа «Ь» заключается в том, что ток течет через конденсатор в обратном направлении. Согласно фиг. 8 ток, выдаваемый на фазы на этапе «Ь» переноса заряда, равен току, отбираемому на этапе «а» переноса заряда, так что никакого обмена энергией с источником переменного тока не происходит.

Спустя 124 мкс после начала цикла разрядки, т.е. в момент времени 1' = 384 мкс, открывается тиристор 8Ь1р, что вызывает запирание 8Ь2р, тогда как 8Ь3п остается открытым. Процесс разрядки продолжается, примерно, до 1'₅ = 494 мкс, когда ток падает до нуля, и 8Ь1р и 8Ь3п запираются, оставляя конденсатор в первоначальном состоянии, т.е. заряженным до первоначального напряжения.

В течение дальнейшего переноса заряда линейные напряжения и необходимые токи периодически изменяются. Таким образом, последовательность и моменты отпирания следует определять в соответствии с фазовым углом тока. Средний реактивный ток характеризует заряд, переносимый на протяжении этапа переноса заряда. Отсюда следует, что реактивный ток невозможно регулировать посредством рабочей частоты. Кроме того, реактивный ток является также функцией остаточного напряжения на конденсаторе Со. Это напряжение, в принципе, можно повышать до любого значения, которое ограничивается только предельно допустимыми значениями напряжения и тока для тиристоров и конденсатора Со. В этом состоит основное преимущество, поскольку, обычно, потребности в реактивной мощности возрастают по мере спада линейного напряжения. При использовании простых батарей конденсаторов, реактивный ток изменяется пропорционально спаду напряжения, тогда как, с использованием ДКР, реактивный ток можно увеличивать независимо от линейного напряжения.

С точки зрения эффективности реактивный ток проходит только через один набор тиристоров в расчете на фазу. Это не только обеспечивает простоту и повышенную надежность, но также сводит потери к минимуму.

- 15 008239

Электронный трансформатор переменного тока.

а. Режим преобразования переменного тока.

Силовой преобразователь переменного тока (фиг. 1) может обеспечивать форму волны выходного напряжения, которая отвечает требованиям к напряжению, частоте и выходной фазе. Если выходная частота равна входной частоте, то силовой преобразователь переменного тока можно использовать в качестве регулируемого источника питания переменного тока.

Для некоторых вариантов применения, например электродвигателей переменного тока с регулируемой скоростью вращения, желательно изменять выходную частоту и выходное напряжение. Хотя силовой преобразователь переменного тока может переносить энергию со входа/выхода более низкого напряжения на вход/выход более высокого напряжения, такая «трансформация» напряжения ограничена. Чтобы получить регулируемый или управляемый выход переменного тока с трансформацией напряжения, ко входу переменного тока или выходу переменного тока можно подключить стандартный трансформатор переменного тока. Однако недостатком такой системы является наличие в системе большого трехфазного трансформатора переменного тока.

На фиг. 9 изображена принципиальная схема электронного трансформатора, который объединяет в себе функции управления частотой и трансформации напряжения. Принципиальная схема изображена в виде однопроводной схемы, где количество штрихов указывает количество фаз или клемм. В основе работы электронного трансформатора лежат те же принципы, что и в основе работы силового преобразователя переменного тока, показанного на фиг. 1. Основное отличие состоит в том, что вместо выходных дросселей применяется однофазный трансформатор.

Источник питания переменного тока подключен к входу 102, подключенному к конденсатору Со 25 через входной фильтр 104 и входной коммутационный блок 106. Индуктивность входных дросселей 108 и 110 определяют длительность зарядки (полагая, что емкость Со определена из других соображений).

Входной блок осуществляет зарядку точно так же, как в силовом преобразователе переменного тока (фиг. 1).

В разрядном блоке, аналогичном разрядному блоку силового преобразователя переменного тока, изображенного на фиг. 1, выходной коммутационный блок 118 подключен к выходу 120 через выходной фильтр 119. Разрядные дроссели ЬЬ1 и ЬЬ2 заменены трансформатором 117, который обеспечивает индуктивность. Кроме того, добавлен выходной тиристор 114 первичной обмотки, 8бск который отключает трансформатор 117 от конденсатора Со при осуществления цикла зарядки.

Отношение количества витков первичной обмотки к количеству витков вторичной обмотки выбирает в соответствии с нужным отношением напряжений между входным напряжением переменного тока и выходным напряжением переменного тока. Кроме того, индуктивность рассеяния, как видно из первичной обмотки трансформатора, выбирают в соответствии со значениями индуктивности выходных дросселей ЬЬ1 и ЬЬ2, показанных на фиг. 1.

Можно сделать так, чтобы шунтирующая индуктивность трансформатора 117 значительно превышала индуктивность рассеяния. Таким образом, в большинстве режимов работы схемы, шунтирующие индуктивность, можно не учитывать. Суммарная индуктивность обмоток представляет собой эффективную индуктивность рассеяния трансформатора и совместно с емкостью Со определяет период разрядки.

Энергия конденсатора высвобождается на выходные фазы переменного тока наподобие того, как это происходит в силовом преобразователе переменного тока.

Согласно обобщенному способу разрядки тиристор 8бсй 114 открывается одновременно со включенным в прямом направлении тиристором 8ор и включенным в обратном направлении тиристором 8ои фаз с самым высоким и вторым по величине необходимым напряжением (с учетом единичного коэффициента мощности на выходе). Таким образом, конденсатор Со подключается к выходным фазам через выходной фильтр 119 и трансформатор 117. После переноса достаточной энергии на выходную фазу со вторым по величине необходимым напряжением, открывается тиристор с наименьшим необходимым выходным напряжением. При этом, тиристор второго по величине выхода запирается, и зарядка продолжается на линиях с наибольшим и наименьшим необходимыми выходными напряжениями.

Шунтирующий тиристор 8^ор 116 можно открывать для воспрепятствования перезарядке конденсатора Со или для выбора остаточного напряжения на конденсаторе Со. В результате отпирания этого тиристора происходит перенос энергии, связанной с индуктивностью рассеяния, на выход. Когда ток падает до нуля, коммутирующие тиристоры запираются, и цикл разрядки завершается.

Трансформация напряжения может осуществляться для его повышения, понижения или развязки. При этом допустимо изменение частоты, изменение фазы или обе эти операции. Предусмотрено управление выходом, позволяющее регулировать как активную, так и реактивную мощность при том, что на входе предусмотрен отбор только активной мощности. Таким образом, электронный трансформатор может, одновременно, выступать в качестве регулятора напряжения и компенсатора реактивной мощности. Кроме того, этот трансформатор может отбирать сбалансированный входной ток, даже при несбалансированной выходной нагрузке. Поскольку однофазный трансформатор работает на высокой частоте, его поперечное сечение может быть значительно меньше, чем у стандартного трансформатора на 50 или 60 Гц. Трансформатор можно использовать с еще большей эффективностью, если обеспечить смену направ

- 16 008239 ления магнитного потока в каждом цикле разрядки. Этого можно добиться разными путями. Например, два входных блока с шестью дополнительными выходными тиристорами обеспечивают почти полный рабочий цикл трансформатора.

Трансформатор такого типа обладает несколькими дополнительными достоинствами. Он обеспечивает значительное снижение веса и объема и дополнительные преимущества эксплуатации, не свойственные традиционным силовым трансформаторам. В отличие от обычного трансформатора, отбирающего непрерывный ток намагничивания, этот трансформатор намагничивается только при перетоке мощности. Это значит, что потери на тиристорах и на трансформаторе составляют постоянную долю мгновенной проходной мощности. Поскольку средний коэффициент нагрузки для большинства сетевых трансформаторов составляет менее 30% пикового коэффициента нагрузки, то электронный трансформатор не только повышает качество электроэнергии посредством его регулировки, не только нейтрализует реактивную мощность в нагрузке, но также обеспечивает более высокий КПД в большинстве вариантов применения.

Режим выпрямления и режим инвертирования.

Конфигурация электронного трансформатора, изображенная на фиг. 9, позволяет восстанавливать выход постоянного тока. На одной выходной фазе можно восстанавливать положительное напряжение, а на другой фазе - отрицательное напряжение, как это происходит в вышеописанном выпрямителе, чтобы получить на выходе источник питания постоянного тока.

Как и в схеме выпрямителя, некоторые выходные переключатели во вторичной цепи трансформатора можно исключить. Кроме того, два выходных переключателя можно заменить диодами, поскольку выходная коммутация осуществляется в первичной цепи трансформатора тиристором 8бс11. Если напряжение на выходе вторичной цепи трансформатора при функционировании двойных входных модулей меняет полярность, то однополупериодное выпрямление на выходе можно заменить двухполупериодным однофазным выпрямлением по мостовой схеме.

Для осуществления инвертирования входная схема подлежит той же модификации, которая описана в предыдущем абзаце. Это позволяет применять источник питания постоянного тока и восстанавливать форму волны переменного тока или выдавать мощность на источник питания переменного тока.

Трансформатор позволяет преобразовывать напряжение от входа к выходу в значительно более широких пределах. Коэффициент трансформации повышающего или понижающего трансформатора определяется коэффициентом трансформации по соотношению витков однофазного трансформатора.

Данную схему можно также применять для прямого преобразования постоянного тока, при котором отношение входного напряжения к выходному напряжению заключено в широком диапазоне значений.

Кроме того, применение трансформатора обеспечивает полную гальваническую развязку между входом и выходом во всех описанных процессах преобразования.

Электронный трансформатор с одновременным переносом заряда на входе и выходе.

Электронный трансформатор (фиг. 9) осуществляет две операции ДППЗ на нескольких входах/выходах, одну - для зарядки Со, а другую - для разрядки Со. Операции выполняются попеременно, в результате чего рабочий цикл электронного трансформатора составляет около 50%. Примерно половина времени уходит на зарядку, а другая половина - на разрядку. Кроме того, заряд одной фазы протекает, в среднем, через 2.5 тиристора.

На фиг. 10 представлен другой вариант осуществления электронного трансформатора. Этот трансформатор значительно повышает проходную мощность. Его рабочий цикл составляет около 100%, и для перетока мощности в нем предусмотрено на один тиристор меньше, что приводит к увеличению КПД.

Этот модифицированный трансформатор отличается от ранее описанного электронного трансформатора тем, что операции зарядки и разрядки осуществляются одновременно. Заряд, отбираемый со входа переменного тока, переносится непосредственно на выход переменного тока.

В основе устройства модифицированного электронного трансформатора лежит силовой преобразователь с «одновременным переносом заряда на входе и выходе», показанный на фиг. 6, в котором выходные дроссели заменены однофазным трансформатором, как в электронном трансформаторе, изображенном на фиг. 9. Модифицированный электронный трансформатор, изображенный на фиг. 10, содержит один конденсатор, поскольку однофазный трансформатор обеспечивает полную гальваническую развязку между входом и выходом. Однофазный трансформатор не только имеет необходимый коэффициент трансформации по соотношению витков для трансформации напряжения, но дополнительно имеет такую конструкцию, что индуктивность рассеяния дублирует резонансную функцию ЬЬ1 и ЬЬ2 (фиг. 6).

По аналогии со схемой, показанной на фиг. 6, входная и выходная операции осуществляются в одном и том же цикле, в котором одновременно осуществляются вышеописанные операции ДППЗ. Последовательность отпирания входных и выходных тиристоров идентична вышеописанной.

Однофазный трансформатор (фиг. 10) должен иметь коэффициент трансформации по соотношению витков, необходимый для трансформации напряжения, и должен иметь индуктивность рассеяния, которая в сочетании с емкостью конденсатора Сз определяет период резонанса и переноса энергии.

Входные и выходные клеммы подключены, соответственно, к двум входным и к двум выходным наборам тиристоров. Полагая, как и в предыдущих примерах, входной фазовый угол равным 80 электри

- 17 008239 ческим градусам, а выходной фазовый угол - 170 электрическим градусам, а также с учетом отрицательной полярности напряжения на С§, указанной на фигуре, получаем, что для входа в режим СА открывают те же два входных тиристора 811ри и 8ί3η1 и одновременно с ними два выходных тиристора 8о2ри и 8о3и1. По прошествии части периода переноса, открывают 8ί2η1, чтобы запереть 8ί3η1, и в соответствующий момент открывают 8о1ир, что приводит к запиранию выходного тиристора 8о2ри. Шунтирующий переключатель 8Γ\νο. по-прежнему, управляет напряжением перезарядки С§ и дает возможность направлять на выход энергию, связанную с индуктивностью рассеяния однофазного трансформатора.

Выбрав надлежащий коэффициент трансформации по соотношению витков, можно исключить переключатели 81с.]сс и 81с.]ссс (фиг. 6), тем самым уменьшив количество необходимых компонентов, поскольку входное напряжение превышает эффективное выходное напряжение, как видно из первичной цепи трансформатора.

При окончании переноса энергии в режиме СА (протекания тока по ходу часовой стрелки), конденсатор приобретает противоположную полярность, и все тиристоры запираются. С этого момента ток начинает течь против хода часовой стрелки, и выполняется та же процедура; однако, при этом входное напряжение, выходное напряжение и магнитный поток трансформатора имеют противоположный знак. Работа на высокой частоте преобразователя и смена направления магнитного потока позволяют уменьшить размеры и вес однофазного трансформатора. Кроме того, по мере снижения потребности в мощности можно переходить к более низкой частоте преобразователя или более низкому напряжению на конденсаторе. Таким образом, в отличие от обычного трансформатора, в котором потери на намагничивание остаются постоянными, те же потери в данном трансформаторе снижаются совместно с потребностью в переносе мощности. Чистым результатом является практически постоянный КПД на всем диапазоне значений коэффициента нагрузки электромагнитного трансформатора.

В режиме выпрямления применима та же схема, за исключением того, что на выходе требуются только две клеммы. Чтобы выводить положительное напряжение на выходной фазе 1 и отрицательное напряжение на выходной фазе 3, из выходных тиристоров требуются только 8о1ри, 8о1р1, 8о3ии и 8о2и1, а остальные восемь выходных тиристоров можно исключить.

Аналогично, в режиме инвертирования или преобразования постоянного тока из выходных тиристоров нужны только 811ри, 8Ир1, 813ии и 8ί3η1. При выполнении цикла СА открываются и остаются открытыми на протяжении цикла СА тиристоры 8о1р1 и 8о3н1, тогда как в цикле ССА используются тиристоры 8о1р1 и 8о3ии. Эти тиристоры запираются в конце каждого соответствующего цикла зарядки и переноса энергии.

Последовательный резонансный контур (фиг. 6) можно преобразовать в схему электронного трансформатора, изображенную на фиг. 10. Эта схема позволяет при надлежащем управлении отбирать ток, не содержащий гармоник, и выдавать мощность, не содержащую гармоник. Что касается мощности переменного тока, имеется возможность не только управлять активной мощностью, но также одновременно отбирать реактивную мощность, чтобы обеспечивать нужное опережение или отставание входного тока. Выбрав надлежащий коэффициент трансформации по соотношению витков однофазного трансформатора, можно повышать или понижать напряжение. В отличие от обычного трансформатора переменного тока, на входе переменного тока отсутствует ограничение по частоте и фазе, кроме того, имеется возможность регулировать выходное напряжение. Кроме того, данная схема допускает не только для преобразования переменного тока, но также инвертирование, выпрямление и прямое преобразование постоянного тока.

Альтернативная функциональная конфигурация силового преобразователя.

Схема и односторонний режим.

Применение способа ДППЗ не ограничивается средством накопления заряда на одном конденсаторе, трехфазным входом или трехфазным выходом. Способ ДППЗ можно применять к стандартной конфигурации резонансного переноса заряда, в которой каждому входу или выходу соответствует отдельный конденсатор. Стандартный способ резонансного переноса заряда описан, например, в патенте США № 5764501.

На фиг. 11 изображена принципиальная схема, иллюстрирующая альтернативный вариант осуществления силового преобразователя переменного тока. Трехфазный источник питания подключен к входному фильтру 150 низких частот, каждая фаза которого содержит последовательно включенный дроссель Ь_й и шунтирующий конденсатор С_Г1. Конденсаторы могут быть соединены «звездой» или «треугольником». На выходе используется аналогичный выходной фильтр 168 низких частот. На фигуре показан типичный П-образный фильтр, состоящий из С_Га, Ь_Го и С_Гь.

Силовой преобразователь осуществляет два функциональных цикла. Первый цикл - это цикл зарядки, в течение которого происходят отбор энергии из источника питания переменного тока и зарядка конденсаторов 160 (С1, С2 и С3). Для этого применяются шесть входных тиристоров (811р, 812р, 813р, 8ί1η, 8ί2η, 8ί3η) входного коммутационного блока 152.

Входной коммутационный блок 152, подключенный между фильтром 150 низких частот и входным индуктивным блоком 158, содержащим дроссели Ыр и Ыи, служит для регулировки отбора мощности с

- 18 008239 фаз источника питания переменного тока. Эти тиристоры входного коммутационного блока 152 будем в дальнейшем называть входными переключателями.

Второй набор из шести тиристоров (8с1р, 8с2р, 8с3р, 8с1и, 8с2и, 8с3и) блока 154 выбора конденсатора подключен между входным индуктивным блоком 158 и конденсаторным блоком 160, содержащим конденсаторы С1, С2 и С3. Эти тиристоры будем в дальнейшем именовать переключателями выбора конденсатора. Переключатели выбора конденсатора определяют полярность и уровень напряжения, до которого заряжаются конденсаторы С1, С2 и С3. В качестве переключателей выбора конденсатора показаны тиристоры, но можно использовать и другие переключатели. Обратим внимание на то, что данная схема не предусматривает принудительного размыкания переключателей, хотя размыкатели можно использовать для упрощения некоторых операций ценой увеличения расходов и потерь на переключателях.

Для нормального силового преобразования постоянного тока желательно отбирать входную мощность без гармоник с единичным коэффициентом мощности. Таким образом, с каждой входной фазы отбирают энергию, пропорциональную квадрату мгновенного входного напряжения. Благодаря тому, что этот повторяющийся процесс осуществляется с частотой, намного превышающей входную частоту, входной фильтр усредняет переток мощности, придавая входному току и входной мощности синусоидальную форму.

Изменяя рабочую частоту, можно регулировать проходную мощность. Принцип действия схемы состоит в том, что на протяжении одного или, возможно, нескольких циклов зарядки, отбирают такую энергию, что средняя проходная мощность оказывается пропорциональной квадрату входного напряжения. Эта необходимая энергия является функцией входного фазового угла ωΐ, где ω - входная круговая частота. Для восстановления синусоидального выхода необходимо заряжать каждый из трех рабочих конденсаторов до напряжения, пропорционального выходной форме волны, которая определяется выходным фазовым углом ω'ΐ, где ω' - выходная круговая частота. На протяжении нескольких циклов зарядки надлежит извлекать энергию со входа с углом от нуля до 360 электрических градусов и заряжать конденсаторы до напряжения и полярности, которые представляют любой выходной фазовый угол от нуля до 360 электрических градусов. Этот процесс будет описан со ссылкой на фиг. 11, формы волны напряжения и тока показаны на фиг. 12, и соответствующие значения приведены в табл. 1.

Пусть мгновенный входной угол равным 80 электрическим градусам, а выходной угол - 170 электрическим градусам. Входные фазные напряжения для трехфазной системы переменного тока с линейным напряжением 480 В приведены в табл. 1. Напряжение на первой входной фазе положительно, тогда как напряжения на двух других входных фазах - отрицательны, и сумма всех трех напряжений равна нулю. Сумма трех напряжений в сбалансированной линии всегда равна нулю, что справедливо и для токов. Осуществляется отбор мощности без гармоник. Энергия, отбираемая с каждой фазы в процессе зарядки, приведена в столбце 3 как доля полной энергии, отобранной в процессе зарядки. Однако при наличии низкочастотного фильтра, существует возможность усреднять токи по нескольким циклам.

Иллюстративные значения необходимого напряжения на нагрузке приведены в четвертом столбце табл. 1 для выходной формы волны трехфазной системы 480 В при мгновенном значении фазового угла 170 электрических градусов. В этом примере напряжение на первых двух выходных фазах положительно, а на третьей выходной фазе - отрицательно. Сумма всех трех напряжений равна нулю.

Чтобы правильно зарядить конденсаторы и получить сбалансированный переток мощности, нужно добиться того, чтобы значения энергии в трех конденсаторах относились друг к другу как квадраты указанных выходных напряжений. Эти значения энергии приведены в последнем столбце табл. 1. Обычно, для обеспечения полного разряда заряженных конденсаторов в выходной фильтр, полярность конденсатора должна совпадать с полярностью выходного напряжения, и напряжение на каждом конденсаторе должно быть пропорционально с коэффициентом, превышающим два, необходимому напряжению на соответствующей выходной фазе. При недостаточно высоком напряжении полного разряда конденсатора может не происходить.

Процесс зарядки со входа набора из трех конденсаторов с согласованием выходного фазового угла осуществляется в такой последовательности, которая не предусматривает принудительное размыкание переключателей. Схема обеспечивает автоматическое запирание устройств типа тиристоров при подаче на них обратного смещения.

Согласно обобщенному способу зарядки открывают тиристор 811р, поскольку на фазе 1 имеется наибольшее по абсолютной величине фазное напряжение. Что касается двух остальных входных фаз, открывают тиристор 8ί3η, поскольку он включен навстречу тиристору 811р и находится под наименьшим по абсолютной величине напряжением. Таким образом, на вход верхнего дросселя Ыр 156 подается напряжение +385,9 В, а на вход нижнего дросселя Ьт 158 подается напряжение -134,0 В.

- 19 008239

	Входное напряжение на 80 градусах	Входная энергия (%)	Выходное напряжение на 170 градусах	Выходная энергия (%)
Фаза 1	385.9 В	64.7%	68.1 В	2.0%
Фаза 2	-251.9 В	27.5%	300.2 В	39.1%
Фаза 3	-134.0 В	7.8%	-368.3 В	58.9%

Таблица 1

Поскольку на конденсаторе С3 должно быть максимальное по абсолютной величине и отрицательное напряжение, открывают тиристор 8ο3η, чтобы подключить конденсатор С3 к дросселю Γίη, на который подано отрицательное напряжение. Затем С1 или С2 можно подключить к дросселю Γίρ, находящийся под положительным напряжением. Чтобы добиться перетока максимальной мощности и одновременно сократить время зарядки, подключают конденсатор, требующий минимальной выходной энергии. В данном примере замыкают 8ο1ρ, чтобы подключить конденсатор С1 последовательно с конденсатором С3.

Альтернативно, чтобы обеспечить максимальное время восстановления тиристорного переключателя, можно замкнуть 8ο2ρ. В любом случае, тиристоры будут запираться автоматически.

При замыкании четвертого переключателя 8ο1ρ резонансный ГС-контур подключается между входными фазами 1 и 3. Индуктивность равна суммарной индуктивности I πρ и Γίη, а емкость равна половине емкости отдельного конденсатора, поскольку конденсаторы соединены последовательно. Напряжение и ток как функции времени описываются следующими выражениями:

1_С(Ё) = Ι₀3ίη(ω₀ΐ:) (15)

Усх(С) = -Ус₃(Т) = (ν_Ρ1-νρ₃) (1-соз (ω_οΐ:) )/2 (16) где

Ιο = (νρι-νρ₂) ν0_ο/2 (Σίρ+Ып) и

ω₀ = 1/^С_оЪ1/2.

Напряжение на конденсаторе и зарядный ток можно точно вычислить. Время, необходимое для зарядки конденсатора до нужного напряжения, можно вычислить с помощью обратных тригонометрических функций.

При данном выборе переключателя конденсатор С1 заряжается до напряжения, примерно вдвое превосходящего необходимое напряжение на выходной фазе 1. Согласно табл. 2 напряжение достигает этого значения за время !₁ = 60 мкс при индуктивности 80 мкГн и емкости 100 мкФ.

В момент ίι замыкается включенный в прямом направлении переключатель выбора конденсатора 8ο2ρ. Начинается зарядка конденсатора С2, в то время как конденсатор С3 продолжает заряжаться. Продолжается отбор мощности с тех же двух входных фаз 1 и 3.

Поскольку напряжение на конденсаторе С2 меньше, чем на конденсаторе С1, переключатель 8ο1ρ получает обратное смещение и перестает проводить ток, если является переключателем с односторонней проводимостью, например тиристором. Таким οбρазом, вместо переключателей, требующих принудительного размыкания, можно использовать кремниевые управляемые диоды (КУД).

Таблица 2

Время (мкс)	Ток (А)	Ус1 (В)	Ус2 (В)	УсЗ (В)	Входные переключатели	Переключатели выбора
0+	0	0	0	0	8ί1ρ- 3ί3η	3с1р-3с3п
66	360.1	131	0	-131	3ί1ρ- 3ϊ3η	3с2р-3с3п
93	455.4	131	111	-242	3ί1ρ- 312η	3с2р-3с3п
222	0	131	574	-705

На фиг. 12 изображены формы волны Ус1, Ус2 и Ус3 напряжения на конденсаторе и форма волны зарядного тока 1с11. Вычисление зарядного тока и напряжений на конденсаторах осуществляется по тем

- 20 008239 же формулам, при этом ток из первой части разряда и напряжение на конденсаторе С3 из первого сегмента зарядки используются в качестве начальных условий.

В момент времени ΐ₂ = 93 мкс, когда энергия, отобранная со входной фазы 3, определяемая как интеграл по времени от произведения зарядного тока на напряжение входной фазы 3, достигает заданного значения, замыкают входной переключатель 8ί2π. Поскольку напряжение входной фазы 2 имеет более высокое отрицательное значение, чем напряжение входной фазы 3, то входной переключатель 8ί3η получает обратное смещение, и КУД автоматически запирается. Теперь зарядное напряжение равно разности напряжений входной фазы 1 и входной фазы 2. Новое начальное условие на момент ΐ₂ определяет остальные зарядные токи и напряжения для С2 и С3.

В момент времени ΐ₃=222 мкс зарядный ток падает до нуля, и все четыре переключателя 811р, 8ί2η, 8е2р и 8с3п получают обратное смещение и размыкаются. Моменты отпирания Ц и ΐ₂ вычисляют таким образом, чтобы отношение энергий заряженных конденсаторов было пропорционально отношению квадратов выходных напряжений.

На входе выбор последовательности отпирания и моментов отпирания ΐι и ΐ₂ определяет надлежащий отбор энергии со всех трех фаз. Энергия заряда пропорциональна мгновенной мощности сбалансированной трехфазной линии при указанном входном фазовом угле. Распределение входной энергии определяется временем отпирания третьего входного переключателя зарядки (в данном примере, 8ί2η в момент ΐ2). Правильное распределение заряда между конденсаторами определяется временем отпирания третьего переключателя выбора конденсатора (в данном примере, 8с2р в момент ΐ1).

Такая же процедура используется для других входных фазовых углов от 0 до 360 электрических градусов и других выходных фазовых углов. Во всех случаях требуется замыкать переключатели в моменты ΐ0, ΐ1 и ΐ2 за исключением случаев, когда входное или выходное фазное напряжение равно нулю. В предыдущем примере переключение распределительного блока происходит до переключения входного блока. Это происходит лишь в 50% случаев, тогда как в остальные моменты конденсатор меняется после смены входной фазы. Расчетные моменты отпирания ΐ₁ и ΐ₂ можно либо вычислять в режиме реального времени, либо хранить в двухмерной таблице ссылок, например, матрице входных и выходных фазовых углов.

Когда конденсаторы заряжены, выходные переключатели выходного блока 162 можно замыкать одновременно, чтобы резонансно разряжать три конденсатора в выходные фазы. Период разряда определяется емкостями конденсаторов в совокупности с индуктивностями разрядных дросселей Ьо1, Ьо2 и Ьо3. Поскольку по определению сумма положительных зарядов равна сумме отрицательных зарядов, нет необходимости подключать три конденсатора к нейтрали. Если напряжения на трех конденсаторах примерно в два раза превышают выходное напряжение, то разрядный ток падает до нуля в тот же момент, когда напряжение на конденсаторе падает до нуля.

Поскольку это условие вряд ли можно реализовать, замыкают три из шести шунтирующих переключателей шунтирующего коммутационного блока 164. Таким образом, препятствуют перезарядке конденсаторов и переносят оставшуюся энергию, запасенную в трех дросселях, в выходные фазы. В тот же момент выходные переключатели размыкаются, что позволяет после полного восстановления переключателей перезаряжать конденсаторы. В следующем процессе зарядки и разрядки входной фазовый угол и выходной фазовый угол изменяются в соответствии с прошедшим временем Δΐ, где Δΐ - это время между последовательными актами зарядки и разрядки.

Согласно последовательности зарядки энергия, извлеченная со входа, пропорциональна энергии при условии сбалансированной нагрузки. В отличие от зарядки трех отдельных конденсаторов с трех отдельных входных фаз, когда полная энергия заряда всегда одинакова, последовательность зарядки обеспечивает небольшое изменение полной энергии заряда от одного цикла зарядки к другому. Энергию, накопленную за один цикл зарядки, можно выразить следующим образом:

где

Е(У_эфф) = 2С_оУ_эфф² (18)

Параметр Г(щ,щ') является функцией ω и ω' и имеет амплитудную флуктуацию наподобие нефильтрованного выпрямленного напряжения.

Средняя выходная мощность равна

Р(Уэфф, £) = Ε(ν₃φφ)-£/Γ(ω,ω') (19) где £ - средняя частота зарядки или разрядки. Параметр ^ω,ω') является непрерывной функцией входного и выходного фазовых углов и ее можно вычислять или хранить в той же таблице ссылок, что и ΐ₁, ΐ₂ и последовательность зарядки.

Промежуток времени между циклами разрядки можно выразить как функцию средней мощности

Δΐ = Ε(ν₃φ_φ,ω,ω')/РсрГ(ю,о>') ) (20)

- 21 008239

Поскольку проходная мощность и выходная частота могут изменяться от цикла к циклу, то такое изменение может происходить за долю периода переменного тока. Ограничительными факторами являются значения чувствительности входного и выходного фильтра низких частот.

Если период зарядки равен 220 мкс и длительность разрядки равна 180 мкс, то преобразователь может работать на частоте 2500 Гц. При указанной емкости конденсатора проходная мощность оказывается равной 115 кВт.

При работе на частоте преобразователя, высокой по сравнению со входной или с восстановленной выходной частотой фазы, входные/выходные фильтры низких частот с малой частотой среза сглаживают форму волны прерывистого процесса зарядки преобразователя. На фиг. 13 показаны трехфазные токи и напряжения при наличии простого входного Ь-С-фильтра и при частоте преобразователя 1800 Гц. Компоненты фильтра выбраны так, чтобы обеспечивать отбор ограниченной входной мощности, благодаря чему ток пульсации оказывается значительно меньше, чем рекомендовано в инструкциях ΙΕΕΕ 519 и 1ЕС 555-2.

Нормальные условия работы устанавливаются в течение менее четверти периода входного тока. Ток имеет синусоидальную форму, если не учитывать слабую пульсацию на частоте преобразователя.

Входной ток является не просто синусоидальным, но также близким по фазе ко входному напряжению, что обеспечивает входной коэффициент мощности, близкий к единице. Блок входного фильтра вносит лишь незначительный сдвиг по фазе. Как будет показано в следующем разделе, форму волны входного тока можно видоизменять, и осуществляя операцию, немного более сложную для управления, в которой преобразователь отбирает активную и реактивную составляющие мощности, которые обе являются управляемыми.

В качестве выходного фильтра был выбран П-образный фильтр низких частот. Он обеспечивает большее ослабление, чем входной Ь-С-фильтр, но требует по два фильтрующих конденсатора на каждую фазу.

На фиг. 14 показано выходное напряжение на восстановленной частоте при состоянии на входе, показанном на фиг. 13. Формы волны напряжения и формы волны тока практически одинаковы. В выходных фазных напряжениях имеется заметное содержание гармоник. Выходная нагрузка, например электродвигатель, воспринимает чистые выходные напряжения, которые мог бы вырабатывать генератор. Это достаточно важно, поскольку в таком случае стандартные электродвигатели, применяемые в настоящее время, не приходилось бы заменять специальным электродвигателем для работы совместно с приводом переменной скорости.

Двухсторонний переток мощности с регулировкой остаточного напряжения.

Большинство физических процессов по своей природе обратимы, если пренебречь потерями энергии. Это относится и к преобразователю данного типа. Зарядку трех конденсаторов С1, С2 и С3 (фиг. 11) можно осуществлять, подавая фазное напряжение на правые клеммы, отпирая три тиристора с прямым смещением. Дроссель Ьох и конденсатор Сх образуют резонансный контур, при этом конденсатор заряжается до напряжения, вдвое превосходящего фазное напряжение. Этот процесс является обратным по отношению к вышеописанному циклу разряда. Единственные компоненты, которые при этом не используются, это шунтирующие переключатели. Поскольку переток энергии происходит в обратном направлении, очевидно, что при данном выходном фазовом угле используются переключатели, которые были отключены при том же фазовом угле, когда переток мощности был направлен в противоположном направлении. Конденсаторы заряжаются с той же полярностью, которая присутствует на входной фазе. Этот заряд отражает напряжение электрического фазового угла на левых клеммах переменного тока.

Для разряда этих конденсаторов используют обратный процесс. Согласно фиг. 12 и табл. 2, конденсатор С2, заряженный до наибольшего положительного напряжения, подключают к нижнему дросселю Ьт, замыкая 8с2п, а отрицательно заряженный конденсатор С3 подключают к верхнему дросселю Είρ, замыкая 8с3ц. Одновременно с этим замыкают δίΐη и 8ί2ρ, чтобы подать энергию на положительную фазу 1 и отрицательную фазу 2, полагая, что фазовый угол на левой стороне имеет то же значение 80 градусов. Когда энергия, поданная на фазу 2, достигает заданного значения, замыкают 8ί3ρ, чтобы подключить отрицательную фазу 3 и создать обратное смещение на 8ί2ρ. Вскоре после этого, напряжение на конденсаторе С2 падает до нуля, и второй положительно заряженный конденсатор подключается через переключатель δίΐη, разрядка продолжается, и поскольку линия была сбалансирована, напряжения на обоих конденсаторах достигают нуля одновременно. Благодаря дополнительной энергии в двух дросселях, замыкается переключатель 8^а, подключенный между Б-ίρ и Ьт. Он создает перемычку между двумя частями дросселя и препятствует частичной перезарядке конденсаторов. Когда ток падает до нуля, этот переключатель размыкается, что позволяет начать следующий цикл зарядки конденсатора.

Чтобы увеличить проходную мощность, конденсатор С2 перезаряжают до отрицательного напряжения, составляющего, например, 30% входного фазного напряжения. Кроме того, замыкание переключателя 8\να задерживают настолько, чтобы напряжения на конденсаторах С1 и С3 также изменили знак и достигли того же процента от соответствующего входного напряжения. Это остаточное напряжение будет начальным напряжением следующего цикла зарядки и будет увеличивать входную энергию заряда. Как было показано ранее, регулировка остаточного напряжения позволяет управлять проходной мощно

- 22 008239 стью при данном отношении частоты преобразователя ко входной частоте. Кроме того, это позволяет переносить мощность из трехфазной системы низкого напряжения в трехфазную систему более высокого напряжения.

На фиг. 15 показаны напряжения на конденсаторах и зарядный ток для тех же значений входного фазового угла и выходного фазового угла - 80 и 170°. Этот результат следует сравнить с показанным на фиг. 12 случаем отсутствия остаточного напряжения при тех же самых фазовых углах. Моменты переключения остаются прежними, а энергия, извлеченная со входа, возрастает на 30%. Энергия из конденсатора с наибольшим напряжением поступает на выходную клемму с наибольшим напряжением. Надлежащий выбор компонентов преобразователя позволяет добиться максимальной частоты и максимальной проходной мощности. Однако осуществляя регулировку остаточного напряжения, можно повышать выходное напряжение. Коэффициент повышения ограничен только предельно допустимыми напряжениями и токами выбранных компонентов.

В случае спадов входного напряжения на 50%, режим повышения напряжения позволяет поддерживать выходное напряжение и мощность, не вызывая повреждения электрических компонентов.

Таким образом, преобразователь может работать в любом направлении при наличии соответствующего шунтирующего переключателя. Управляя остаточным напряжением, можно регулировать переток мощности с низковольтного входа/выхода на высоковольтный вход/выход. Отсюда следует, что эту конфигурацию можно использовать для электродвигателей с регулируемой скоростью вращения, обеспечивая динамическое торможение с полным перетоком мощности.

Режим работы с несколькими входами/выходами.

Центральный блок этого силового преобразователя состоит из трех конденсаторов С1, С2 и С3. Слева выход/выход подключен к трем конденсаторам с посредством схемы, осуществляющей последовательный процесс. Такую схему будем именовать «последовательным портом» (8Р). Он содержит блок фильтрации низких частот. Справа подключен «параллельный порт» (РР), поскольку зарядка и разрядка всех конденсаторов осуществляется предпочтительно одновременно. К конденсаторам можно подключать несколько последовательных и параллельных портов. Это позволяет подключать к одной и той же общей точке несколько источников питания, а также нагрузок. Такой преобразователь с несколькими входами/выходами позволяет избирательно управлять перетоком мощности с любого 8Р на любой РР и наоборот. На РР нельзя восстановить форму волны от источника питания, подключенного к РР, если вход и выход не совпадают по фазе. Такая конфигурация может представлять интерес для некоторых практических вариантов применения, например систем бесперебойного питания.

Альтернативная электрическая конфигурация.

На фиг. 16 показан еще один вариант осуществления силового преобразователя переменного тока. Его преимущество над силовым преобразователем переменного тока, показанного на фиг. 11, состоит в снижении потерь на переключателях.

Согласно схеме силового преобразователя (фиг. 11) в течение цикла зарядки положительный ток и отрицательный ток должны протекать через два тиристора. Поскольку прямое падение напряжения на стандартном тиристоре составляет 1,6 В, типичные потери на тиристорах составляют порядка 4,8 В. В результате, для силового преобразователя переменного тока, рассчитанного на 480 В, потери на тиристорах составляют 1,5%. Вариант осуществления, показанный на фиг. 16, предусматривает двукратное снижение потерь при зарядке за счет того, что ток течет лишь через один, а не через два тиристора. Таким образом, потери на тиристорах снижаются с 1,5 до 1,0%. Для преобразователя мощностью 100 кВт это снижение потерь составляет 500 Вт. При современных расценках $10/Вт за 20 лет эксплуатации можно сэкономить $5000.

Сравнивая вариант, изображенный на фиг. 11, с вариантом, изображенным на фиг. 16, можно предположить, что стоимость изделия возрастает, поскольку количество тиристоров увеличивается с 12 до 18. Однако стоимость определяется не только количеством тиристоров. Размер тиристоров является также функцией площади поверхности тиристора. Поскольку предельное рассеяние мощности на тиристоре составляет 80 Вт/см², то для данной конфигурации необходимая площадь входного тиристора сокращается с 13 до 6,5 см². С одной стороны, добавление шести коммутационных приборов приводит к увеличению стоимости; однако, поскольку размер тиристорной сборки не возрастает, общая стоимость оборудования практически не меняется.

За исключением более низких потерь, вариант осуществления, представленный на фиг. 16, предусматривает примерно такой же принцип работы, что и схема, описанная со ссылкой на фиг. 11. При тех же входном и выходном фазовых углах процесс начинается с подключения положительной входной фазы 1 к конденсатору С1 и отрицательной входной фазы 3 к конденсатору С3 за счет отпирания тиристоров 81р1 и 83и3. В момент ΐ₁ = 66 мкс конденсатор С1 оказывается заряженным до нужного напряжения, и С2 подключается к положительной входной фазе 1 за счет отпирания тиристора 81р2. К моменту ΐ₂ = 93 мкс из фазы 3 извлекают необходимую энергию. Таким образом, чтобы подключить отрицательную входную фазу 2 к конденсатору С3, отпирают 82и3.

Другое отличие от схемы, изображенной на фиг. 11, состоит в использовании двух соединенных между собой дросселей Ь1 и Ьт, каждый из которых содержит три совместно намотанные обмотки. В

- 23 008239 течение цикла зарядки в нижнем Είη используется только провод (6), тогда как в момент 1₁ осуществляется переключение с провода (1) на провод (2). 81р1 размыкается по причине подачи на индуктивность в проводе (1) входного напряжения провода (2).

Суммарный ток через верхний или нижний зарядный дроссель в обеих конфигурациях одинаков, поэтому вес дросселя остается практически неизменным.

Изменение в отношении выхода этого силового преобразователя касается исключения фильтрующего дросселя и второго фильтрующего конденсатора. Такая конфигурация выходного фильтра более экономична применительно к приводам переменной скорости за счет частичного использования индуктивности электродвигателя в качестве фильтра. Исключение части фильтра приводит к пульсации напряжения на основной частоте преобразователя с глубиной модуляции около 15%; однако, это на порядок меньше, чем для преобразователя на основе ШИМ (широтно-импульсный модулятор) и на несколько порядков меньше по бУ/б1, и потому обеспечивает удовлетворительные характеристики для привода переменной скорости.

Операция разрядки аналогична описанной со ссылкой на фиг. 11. Этот преобразователь может работать и в противоположном направлении, однако, для этого нужны дополнительные шунтирующие переключатели.

Управление перетоком активной и реактивной мощности.

Обмен энергией рабочего конденсатора с параллельным портом (РР) согласно вышеприведенному описанию можно увеличивать либо уменьшать, регулируя остаточное напряжение на конденсаторе. То же самое относится к последовательному порту. Поскольку параллельный порт может выступать в качестве как входного, так и выходного порта, описание управления перетоком активной и реактивной мощности через параллельный порт приведено для входного и выходного портов. Это теоретическое построение поясняет не только гибкость схемы, но также конкретный способ, необходимый для того, чтобы отвечать требованиям управления активной и реактивной мощностью для активных нагрузок, например асинхронных электродвигателей. Нижеприведенное описание начинается с управления перетоком активной мощности с учетом того, что параллельный порт подключен к трехфазному источнику переменного тока. Однако поскольку РР является двусторонним, это управление применимо также к выходному 8Р.

После осуществления цикла разрядки с регулировкой перетока активной мощности остаточное напряжение синфазно или противофазно напряжению в трехфазной системе. Распределение остаточного напряжения отличается от того случая, когда фазовый угол обуславливает отбор реактивной мощности.

Управление перетоком активной мощности путем регулировки начального напряжения.

Пусть входное напряжение на первой фазе подчиняется выражению (21), а входной ток подчиняется выражению (22).

ν_Α = ν_ο3ίη(ω1)(21)

1(1) = Ι3ΐη(ω1)¢22)

Пусть I = Ι₀(1+γ), где Ι₀ - амплитуда тока, а γ - параметр, выражающий величину остаточного напряжения на конденсаторе. Если начальное напряжение на конденсаторе равно нулю, то необходимый ток получают путем регулировки частоты преобразователя согласно выражению (23).

1₀ = 2С£У₀(23)

Выражение (22) приобретает вид

1(1) = Ι_ο(1+γ)3ίη(ω1)(24)

1(1) = 2У_АС£ (1+γ) з!п (ωΐ)(24а)

Значение γ задает начальное напряжение на конденсаторе применительно к выходному напряжению, заданному выражением (25). Это относится ко всем входным фазам.

ν±(ω1) = -γν_Α3ίη(ωί)(25)

Таким образом, проходная мощность выражается следующим образом:

Р(1) = Ι(1)νι_η(1) = 2С1 (1+γ) ν₀ ²3Ϊη² (ωΐ) = Р_о (1) (1+γ) (26)

Согласно выражениям (25) и (26) проходной мощностью можно управлять, регулируя начальное напряжение на конденсаторе без изменения частоты 1 преобразователя. То же справедливо для двух других фаз, так что полная проходная мощность оказывается независимой от времени. Следует обратить внимание на то, что выход можно изменять в широком диапазоне. В режиме повышенной мощности, значение γ положительно, что обеспечивает повышение мощности и требует, согласно выражению (25), отрицательного остаточного напряжения. В режиме пониженной мощности, требуется отрицательное значение γ. В результате, проходная мощность снижается в соответствии с выражением (26) и необходимо, чтобы остаточное напряжение имело ту же полярность, что и входное напряжение. Когда γ приобретает значение -1, остаточное напряжение становится равным входному напряжению, и никакого перетока мощности не происходит. Следовательно, в диапазоне -1<γ<0, проходную мощность можно регулировать на частоте преобразователя, ограниченной условиями эксплуатации, которая будет ограничивать выход

- 24 008239 ные гармоники выбранным значением. В другой половине диапазона мощности, где частота преобразователя максимальна, γ>0, осуществляется режим повышенной мощности, и можно повышать выход мощности. Этот режим повышения также используется для переноса мощности от входа/выхода с низким напряжением на вход/выход с более высоким напряжением.

Комбинированное управление перетоком активной и реактивной мощности.

Выше режимы пониженной и повышенной мощности описаны с помощью γ<0 и γ>0 соответственно. Если задать γ с помощью выражения γ = Γ·οο§(β), то условие для остаточного напряжения в режиме повышенной мощности можно выразить как γ = -г, при β = π и г = У/Ущ тогда как режим пониженной мощности задается как γ = г при β = 0.

Если β равно нулю и π, то осуществляется управление перетоком активной мощности, а реактивная мощность равна нулю. Значение β - это фазовый угол между начальным и входным напряжениями.

Благодаря возможности управления фазовым углом в ходе перераспределения, имеется дополнительная возможность перераспределения полной остаточной энергии для любого фазового угла.

Остаточную энергию трех конденсаторов можно выразить в виде

Е_г = ЗСУ_Г ² = ЗСУ₀ ²г² (27)

Начальное напряжение первой фазы можно задать в виде ν_Α ( Б ) = ν₀Γ·3ίη(ωΐι+β) (28)

Тогда перенос заряда между конденсатором и входом выражается следующим образом:

Δζ) = Ο(ν_£-νί) = 2СУ₀ (3ΐη (ωί)-Γ'δίη (ωί+β) ) (29)

Умножая второй член на частоту £ преобразователя, получаем средний линейный ток 1(1) = 2СУ₀К (1-г’соз(р)) 3ϊη (ω£)-г'зтп (β) соз (ω£) ) (30)

Отсюда видно, что первый член тока синфазен входному напряжению и в данном случае является функцией коэффициента г остаточного напряжения и фазового угла β. Второй член смещен по фазе относительно входного напряжения и выражает реактивный ток. Он прямо пропорционален остаточному напряжению. При фазовом угле, равном нулю и π, реактивная мощность равна нулю, и мы получаем, соответственно, режим повышенной мощности и режим пониженной мощности.

Перемножая ток и напряжение и суммируя все три члена, получаем переток активной мощности в виде

Ρ(Γ,β) = ЗУСУ_о ²£ (1-г'соз (β) ) (31)

Таким образом, в режиме пониженной мощности, когда β=0, и в режиме повышенной мощности, когда β=π, переток мощности снижается.

Из выражений (30) и (31) получаем также, что члены активного тока и активной мощности равны нулю, когда β = агссоз(1/г) (32)

Поскольку второй член тока не равен нулю, то происходит отбор только реактивной мощности, и суммарная энергия всех трех конденсаторов не изменяется. Таким образом, получаем статическую компенсацию реактивной мощности.

Член реактивной мощности для одной фазы выражается в виде <2_£ = -2СУ_о ²£ (2δίη (β) з1п (ω£) соз (ω£) ) (33)

Кроме того, эти управление и функционирование не связаны с выработкой гармоник. На фиг. 17 показана зависимость перетока активной мощности от фазового угла при различных г в диапазоне от 0 до 2.0. Отрицательный переток мощности означает передачу мощности в обратном направлении. Таким образом, можно осуществлять управление перетоком мощности в двух направлениях. Можно видеть, что при нулевом фазовом угле мощностью можно полностью управлять, меняя коэффициент остаточного напряжения от нуля до единицы. При дальнейшем возрастании г, переток мощности меняет направление. При фазовом угле 180°, выход можно повышать, теоретически, до любого значения.

На фиг. 18 показана зависимость перетока реактивной мощности от фазового угла. При одной и той же остаточной энергии, имеется возможность управлять реактивной мощностью с переходом от полного опережения к полному отставанию путем выбора угла перераспределения β. Для чего требуется управлять реактивной мощностью? Одна из важных причин состоит в том, что при вращении асинхронной машины, например генератора или гиродвигателя, когда может потребоваться мгновенный выход мощности, повышение напряжения и выход на полную мощность занимает много времени. Если же ввести в машину реактивную мощность, прогнозируя отбор высокой мощности, то можно мгновенно отобрать всю выходную мощность. При отсутствии перетока реактивной мощности в обмотках машины, приходится применять дополнительный источник питания, например батарею, чтобы увеличить реактивную мощность на протяжение нескольких периодов и при этом иметь возможность получать быстро нарастающую линейную характеристику активной выходной мощности из асинхронного генератора.

- 25 008239

Поскольку фазовый угол и отношение г остаточного напряжения к начальному напряжению являются параметрами управления активной и реактивной мощностей, можно построить диаграмму зависимости активной мощности от реактивной мощности, изображенный на фиг. 19. Можно видеть, что выбирая надлежащие значения г и β, можно одновременно управлять перетоком активной и реактивной мощности. Точка (0,1), соответствующая г=0, представляет нормальный режим работы, когда проходная мощность регулируется частотой преобразователя. Перемещение строго вверх соответствует переходу в режим повышенной мощности, в котором β=π. Перемещение вниз соответствует переходу в режим пониженной мощности, в котором β=0. Перемещаясь вдоль оси х, мы получаем возможность регулировать только реактивную мощность. Это соответствует выражению (33). Фиг. 19 показывает, как можно управлять перетоком входной мощности, чтобы отбирать нужную входную мощность от генератора или любой другой многофазной системы. Параметр г и фазовый угол β соответствуют конфигурации напряжений и фаз на внутренних конденсаторах преобразователя. Это позволяет осуществлять непрерывное управление проходной мощностью в соответствии с нагрузкой, а также позволяет одновременно отбирать реактивную мощность от генератора для получения оптимальных условий работы. Оператор электростанции имеет возможность устанавливать напряжение возбуждения генератора таким образом, чтобы согласовывать фазовый угол генератора и выдавать в сеть необходимую реактивную мощность. Это не относится к асинхронному генератору, при использовании которого желательно согласовывать нагрузку с генератором для оптимального функционирования, поскольку асинхронный генератор не подлежит регулировке. В этом режиме работы вход преобразователя функционирует как регулируемый генератор реактивной мощности.

Выход силового преобразователя переменного тока или инвертора функционирует аналогично входу силового преобразователя переменного тока или входу выпрямителя. Применяется та же динамика, но напряжение на конденсаторе должно быть выше выходного линейного напряжения для облегчения переноса положительной мощности. Если положить К равным начальному напряжению на конденсаторе, приведенному к выходному линейному напряжению, получится аналогичная диаграмма. Определим угол α как разность между выходным фазовым углом и углом распределения конденсаторов, после чего можно построить диаграмму переноса активной и реактивной мощности. На фиг. 20 показана диаграмма переноса активной и реактивной мощности для различных начальных значений К. Интерес представляет только та часть диаграммы, которая соответствует положительному перетоку активной мощности; однако, другая часть также применима для двустороннего перетока. Это та же диаграмма, что изображена на фиг. 19, но отраженный относительно оси х.

На положительной полуоси у, при фазовом угле α, равном нулю, и К=1 переноса мощности не происходит. При К=2 и α=0 происходит полный перенос мощности с высвобождением всей энергии. При повышении напряжения на конденсаторах, перенос возрастает линейно, тогда как запасенная энергия возрастает как квадрат напряжения V. Оставшаяся по причине наличия на конденсаторе остаточного напряжения разница в энергии может использоваться в качестве начального условия следующего цикла зарядки. Для К>2, остаточное напряжение на конденсаторах противоположно начальному напряжению. При 1<К<2 перенос полной энергии конденсаторов энергетически невозможен, и остаточное напряжение имеет ту же полярность, что и начальное напряжение. Это остаточное напряжение можно использовать для отбора дополнительной энергии в следующем цикле зарядки, обеспечивая более высокое напряжение, позволяющее осуществлять перенос повышенной мощности.

Работа при активной мощности >1 может быть видоизменена с использованием операции шунтирования. Когда напряжение на конденсаторе падает до нуля или в любой более поздний момент времени, можно предотвратить и остановить перезарядку конденсатора и полностью перевести энергию выходного дросселя на выход. Замыкая цепь в нужное время, можно выбирать остаточное напряжение и начальную энергию для следующего запланированного цикла зарядки. Это дает возможность регулировать проходную мощность до нужного значения и управлять входной реактивной мощностью.

Поскольку лишь очень немногие нагрузки имеют чисто активное сопротивление, с практической точки зрения полезно выдавать активную и реактивную мощность путем перераспределения полной энергии, оставшейся после предыдущего цикла зарядки, в соответствии с тем или иным углом α. Этот угол соответствует углу, измеренному относительно положительной полуоси у, и возрастает в направлении против хода часовой стрелки. По мере возрастания угла реактивная мощность возрастает, тогда как активная проходная мощность убывает. Существует две точки, где активная мощность равна нулю, и инвертор вырабатывает только реактивную мощность с опережением или отставанием по фазе. Выполнение цикла зарядки и цикла разрядки необходимо координировать. Управление операцией можно осуществлять в режиме реального времени. Однако необходимое вычисление можно значительно упростить, используя заранее вычисленные таблицы ссылок. Оптимальная архитектура управления достигается выбором алгоритма управления, компьютера и сложности выбранных требований к эксплуатации.

Применение способа ДППЗ к другой схемной топологии УРПЗ и способ ДППЗ являются универсальными и предусматривают использование разнообразных средств накопления энергии, например, показанного на фиг. 11, или трансформатора, как показано на фиг. 9 и 10. УРПЗ и способ ДППЗ можно ис

- 26 008239 пользовать на входе и выходе подобных комбинированных схем. Фактически, УРПЗ и способ Д1П1З можно использовать для подачи заряда на любую линию передачи или в качестве схемы формирования импульсов. Аналогично, УРПЗ и способ Д1П1З можно использовать в сочетании с разнообразными умножителями/делителями напряжения, заряжая такие устройства либо непосредственно, либо посредством устройств с магнитной связью. Средство накопления энергии может представлять собой единичный конденсатор (фиг. 1), конденсатор в составе последовательно соединенной цепи (фиг. 10), или может состоять из нескольких конденсаторов, объединенных с другими пассивными и активными электрическими или электронными устройствами.

Привлекательная особенность топологии Д1П1З состоит в том, что ее можно комбинировать с разнообразными схемами умножения напряжения. Хотя умножитель напряжения значительно искажает входную форму волны переменного тока, УРПЗ отбирает мощность без примеси гармоник с единичным или другим нужным коэффициентом мощности. Кроме того, схема ДПНЗ выдает мощность на схему умножения на значительно более высокой частоте и, таким образом, предусматривает значительно более эффективное использование электрических компонентов схемы умножения, что приводит к снижению необходимых веса и объема такой схемы при данном уровне мощности. Сочетание подачи мощности без гармоник с высокоэффективным использованием компонентов дает возможность применять умножитель напряжения, модифицированный в соответствии со способом ДППЗ, в цепях высокой мощности.

Особенно важно с практической точки зрения объединение схемной топологии ДПНЗ со схемами, описанными в выданных и находящихся на рассмотрении патентах Ытраесйег. Д1П1З можно использовать в операциях зарядки и разрядки, осуществляемых в этих схемах. Этот способ можно также использовать при осуществлении цикла промежуточного устройства.

В отличие от устройств, основанных на схемной топологии ДППЗ, которые предусматривают коммутацию с помощью полупроводниковых переключателей, данная технология представляет собой шаг вперед, допуская использование практически любых аналоговых, цифровых или смешанных управляющих схем. В большинстве случаев, желательно контролировать выход, выход и точное состояние работы схемы, чтобы оптимизировать ее характеристики и предпринимать корректирующие действия в случае сбоя. Для обеспечения информации о состоянии работы дистанционного управления, требуется дополнительная связь.

Управление коммутацией.

В течение цикла трехфазной зарядки и разрядки схемы (фиг. 1), лишь один тиристор пропускает полную половину синусоидальной волны. Величина άΐ/άΐ достигает максимума в начале и в конце синусоидальной полуволны и этот максимум равен ωΐ₀.

При максимальной амплитуде тока ΐ₀ = 1 кА и периоде резонансной зарядки 250 мкс, άΐ/άΐ = 12.6 А/мкс. Это допустимо для тиристоров с максимальным значением άΐ/άΐ = 500 А/мкс при рекомендованном повторяющемся значении άΐ/άΐ = 200 А/мкс. Токи, текущие через два других проводящих тиристора, составляют долю той же синусоидальной волны, и диаграммы тока, представленные на фиг. 8, демонстрируют мгновенное переключение тока от одного тиристора к другому в момент ΐ'1. При таком включении и выключении άΐ/άΐ достигает весьма большой величины, что может приводить к повреждению тиристоров и увеличению потерь на тиристорах. Мы провели эксперимент по управлению коммутацией в процессе преобразования переменного тока в постоянный ток и наоборот, установив коммутационные дроссели Ьт (фиг. 21).

Для каждой выходной фазы, коммутационный дроссель Ьт небольшой индуктивности подключен между тиристорной сборкой и конденсаторами выходного фильтра. Индуктивность этих дросселей обычно составляет порядка 20% от индуктивности выходного дросселя ЬЬ, и два из них в любой момент образуют часть схемы резонансной разрядки. При наличии таких дросселей скорость изменения тока при коммутации άΐ/άΐ = АУ/(2Ьт), где АУ - это разность напряжений на выходных конденсаторах, участвующих в процессе коммутации. При разработке системы управления нужно учитывать время коммутации и предусматривать отпирание последнего тиристора с опережением в половину периода коммутации. Время опережения отпирания 1рг = Ьт-Ис/АУ, где Ис - разрядный ток на момент коммутации. Такой подход позволяет использовать малые индуктивности, ограничивающие άΐ/άΐ величиной 50 А/мкс.

Величину άΐ/άΐ на шунтирующем тиристоре также можно ограничить, подключив последовательно с ним небольшую индуктивность. Поскольку шунтирующий ток обычно составляет часть полной амплитуды, то индуктивность коммутационного дросселя может быть снижена. Кроме того, предпочтительно выбирать άΐ/άΐ на тиристоре ближе к максимальному значению άΐ/άΐ, определяемому спецификацией тиристора, испытывающего повторяющиеся переключения, чтобы ограничивать обратное напряжение на конденсаторе Со. Это значение άΐ/άΐ при наличии индуктивности в шунтирующей цепи и задержка запирания тиристора определяет обратное напряжение на конденсаторе Со. Этим нельзя пренебрегать, но это не составляет проблемы, если эффект учтен в алгоритме управления.

Управление.

Мы рассматривали управление проходной мощностью посредством регулировки частоты преобразователя и регулировки остаточного напряжения. При регулировке частоты передача мощности или тока

- 27 008239 повышается либо за счет повышения скорости обмена энергией или зарядом, который происходит в течение цикла переноса заряда. Обычно энергию, переносимую за цикл зарядки, делят на промежуток между импульсами, т.е. время между последовательными операциями разрядки, получая нужную проходную мощность.

С другой стороны, регулировка остаточного напряжения позволяет управлять величиной переносимой энергии или переносимого заряда в течение следующего цикла переноса заряда. Отсюда следует, что регулировка остаточного напряжения позволяет управлять энергией заряда в расчете на цикл зарядки, поэтому проходной мощностью при любой частоте преобразования можно управлять посредством остаточного напряжения.

Оба режима работы можно объединить для достижения большей гибкости управления. Управление можно осуществлять с помощью полупроводниковых устройств, которые не являются размыкателями, и работу можно охарактеризовать как «мягкое переключение», при котором включение и отключение происходит при нулевом токе. Режим мягкого переключения обычно снижает потери на переключателях, исключает необходимость в демпфировании и снижает необходимое значение άΐ/άΐ схемы и переключателей. Это позволяет использовать надежные тиристоры с высокими показателями, а именно, повышенным предельно допустимым рабочим напряжением, повышенным предельно допустимым рабочим током и малыми потерями, а также более дешевые и лучше зарекомендовавшие себя по сравнению с любыми другими переключателями, имеющимися в продаже или находящимися в стадии разработки. Переключатели, которые обладают устойчивыми замкнутым и разомкнутым состояниями, можно использовать в любых операциях переключения в схеме, где они должны играть роль контакторов. В ряде практических случаев такие переключатели желательно использовать для достижения более высокой скорости, дополнительной гибкости управления или более быстрого восстановления переключателя.

Управление не ограничивается регулировкой частоты или остаточного напряжения. Специалисты в данной области могут предложить дополнительное управление, которого можно добиться в любой из описанных схем, если непосредственно управлять операцией переноса заряда с помощью входных переключателей. Перетоком мощности или передачей тока можно также управлять, регулируя входную энергию или величину переносимого заряда. Такого рода управление в большинстве случаев потребовало бы использования управляемых размыкателей и не позволило бы работать в режиме «мягкого переключения». Однако дополнительная гибкость управления или другой выгодный режим работы может приводить к предпочтительному выбору дополнительного управления выходным коммутационным блоком.

Для управления работой требуется контроллер, который, помимо тока и напряжения преобразователя, отслеживает вход и выход, чтобы правильно управлять переключателями. Эту функцию управления может осуществлять, например, аналоговая схема, цифровой контроллер или микропроцессор. Одно из предпочтительных направлений состоит в использовании программируемых логических устройств (ПЛУ), объединенных с цифровыми таблицами поиска. Эти таблицы поиска могут содержать большинство важных моментов времени, которые могут быть использованы ПЛУ. Микропроцессор можно использовать для отслеживания работы и измерения входных и выходных аналоговых параметров. Такой микропроцессор может осуществлять все вычисления, необходимые для управления в режиме реального времени, однако, большинство операций можно хранить в таблице поиска. Данные, хранящиеся в таблице поиска, могут иметь вид многомерной матрицы или коэффициентов многочлена, который можно использовать для порождения значений таблицы поиска.

Правильное выполнение цикла зарядки зависит только от правильного выбора моментов коммутации одного переключателя. По завершении цикла зарядки, процессор может точно определить ошибку данного события коммутации. Аналогично, для операции разрядки, правильный выбор моментов коммутации зависит, в основном, от коммутации третьего выходного переключателя, а правильное остаточное напряжение зависит от правильной коммутации шунтирующего переключателя. По завершении разрядки, микропроцессор может вычислить, исходя из измеренного переноса заряда и остаточного напряжения на конденсаторе, ошибки в работе двух переключателей. На практике, точный упреждающий расчет моментов коммутации может быть затруднен и может изменяться в зависимости от температуры пассивных силовых компонентов, а также в результате изменения задержки и других параметров активных компонентов, т.е. переключателей. Микропроцессор может контролировать ход работы и постоянно вносить изменения в таблицу поиска, чтобы активно минимизировать ошибку, обусловленную изменениями на входе, выходе или в рабочем состоянии внутреннего преобразователя, генерируя в режиме реального времени обновленную таблицу поиска со значительно более высоким разрешением, чем сохраненная таблица.

Claims (30)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ резонансного переноса электрического заряда под управлением контроллера между электростатическим средством накопления заряда и первым силовым терминалом (входом/выходом), содержащим первое множество клемм, заключающийся в том, что

   - 28 008239 переносят заряд под управлением контроллера между электростатическим средством накопления заряда и первой клеммой первого множества клемм через индуктивный блок, который подключен к электростатическому средству накопления заряда для образования резонансной цепи, при переносе выбранной величины заряда, определенной контроллером, между электростатическим средством накопления заряда и первой клеммой первого множества клемм контроллер формирует управляющий сигнал, который вызывает электрическое переключение от первой клеммы ко второй клемме из первого множества клемм, затем под управлением контроллера переносят заряд между электростатическим средством накопления заряда и второй клеммой первого множества клемм через индуктивный блок.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют второй силовой терминал (вход/выход), содержащий второе множество клемм, переносят заряд под управлением контроллера между средством накопления заряда и первой клеммой второго множества клемм через индуктивный блок, при переносе второй выбранной величины заряда, определенной контроллером, между средством накопления заряда и первой клеммой из второго множества клемм контроллер формирует второй управляющий сигнал, который вызывает электрическое переключение от первой клеммы на вторую клемму из второго множества клемм, переносят заряд под управлением контроллера между средством накопления заряда и второй клеммой второго множества клемм через индуктивный блок.
3. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительно конфигурируют первый силовой терминал (вход/выход) как силовой терминал (вход/выход) переменного тока, конфигурируют второй силовой терминал (вход/выход) как силовой терминал (вход/выход) переменного тока.
4. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительно конфигурируют первый силовой терминал (вход/выход) как силовой терминал (вход/выход) переменного тока и конфигурируют второй силовой терминал (вход/выход) как силовой терминал (вход/выход) постоянного тока.
5. 5. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительно конфигурируют первый силовой терминал (вход/выход) как силовой терминал (вход/выход) постоянного тока и конфигурируют второй силовой терминал (вход/выход) как силовой терминал (вход/выход) постоянного тока.
6. 6. Способ по п.2, отличающийся тем, что используют множество силовых терминалов (входов/выходов), содержащее первый силовой терминал (вход/выход) и второй силовой терминал (вход/выход), при этом перенос заряда между средством накопления заряда и первым силовым терминалом (входом/выходом) может происходить между любым из множества силовых терминалов (входов/выходов) и средством накопления заряда, а перенос заряда между средством накопления заряда и вторым силовым терминалом (входом/выходом) может происходить между любым из множества силовых терминалов (входов/выходов) и средством накопления заряда.
7. 7. Способ по п.2, в котором первый силовой терминал (вход/выход) и второй силовой терминал (вход/выход) являются одним и тем же силовым терминалом (входом/выходом).
8. 8. Способ по п.2, отличающийся тем, что перенос заряда между средством накопления заряда и первым силовым терминалом (входом/выходом) осуществляют попеременно с переносом заряда между средством накопления заряда и вторым силовым терминалом (входом/выходом).
9. 9. Способ по п.2, отличающийся тем, что перенос заряда между средством накопления заряда и первым силовым терминалом (входом/выходом) осуществляют одновременно с переносом заряда между средством накопления заряда и вторым силовым терминалом (входом/выходом).
10. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют средство накопления заряда, содержащее множество конденсаторов.
11. 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют средство накопления заряда, содержащее один конденсатор.
12. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют индуктивный блок, содержащий множество дросселей.
13. 13. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют индуктивный блок, содержащий один дроссель.
14. 14. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют индуктивный блок, содержащий обмотки однофазного трансформатора.

    - 29 008239
15. 15. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение выбранного заряда, перенесенного между электростатическим средством накопления заряда и первой клеммой первого множества клемм, и заряда, перенесенного между электростатическим средством накопления заряда и второй клеммой первого множества клемм, равно отношению токов, отбираемых с первой клеммы первого множества клемм и со второй клеммы первого множества клемм.
16. 16. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение выбранной величины заряда, перенесенного между электростатическим средством накопления заряда и первой клеммой второго множества клемм, и заряда, перенесенного между электростатическим средством накопления заряда и второй клеммой второго множества клемм, равно отношению токов, подаваемых на первую клемму второго множества клемм и на вторую клемму второго множества клемм.
17. 17. Устройство резонансного переноса электрического заряда, содержащее индуктивный блок, электростатическое средство накопления заряда, подключенное последовательно к индуктивному блоку для образования совместно с индуктивным блоком резонансного контура, первый силовой терминал (вход/выход), содержащий первое множество клемм, множество первых переключателей для подключения первого силового терминала (вход/выход) к резонансному контуру, блок управления для управления работой множества первых переключателей по переносу первого количества заряда между первой клеммой первого множества клемм и электростатическим средством накопления заряда и по переносу второго количества заряда между второй клеммой первого множества клемм и электростатическим средством накопления заряда, причем отношение первого количества заряда, перенесенного между электростатическим средством накопления заряда и первой клеммой, и второго количества заряда, перенесенного между электростатическим средством накопления заряда и второй клеммой, равно отношению токов, отбираемых с первой клеммы и со второй клеммы.
18. 18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что содержит второй силовой терминал (вход/выход), содержащий второе множество клемм, множество вторых переключателей, подключающих второй силовой терминал (вход/выход) к резонансному контуру, блок управления для управления работой множества вторых переключателей по переносу третьего количества заряда между первой клеммой второго множества клемм и электростатическим средством накопления заряда и по переносу четвертого количества заряда между второй клеммой второго множества клемм и электростатическим средством накопления заряда, причем отношение третьего количества заряда, перенесенного между средством накопления заряда и первой клеммой второго множества клемм, и четвертого количества заряда, перенесенного между средством накопления заряда и второй клеммой второго множества клемм, равно отношению токов, выдаваемых на первую клемму и на вторую клемму.
19. 19. Устройство переноса заряда по п.18, отличающееся тем, что перенос заряда с первого силового терминала (входа/выхода) на средство накопления заряда чередуют с переносом заряда со средства накопления заряда на второй силовой терминал (вход/выход).
20. 20. Устройство переноса заряда по п.18, отличающееся тем, что конфигурация первого силового терминала (входа/выхода) соответствует приему многофазного переменного тока, а конфигурация второго силового терминала (входа/выхода) соответствует выдаче многофазного переменного тока.
21. 21. Устройство переноса заряда по п.18, отличающееся тем, что блок предназначен для управления вторыми переключателями для восстановления формы волны переменного тока на втором силовом терминале (входе/выходе).
22. 22. Устройство переноса заряда по п.18, отличающееся тем, что конфигурация первого силового терминала (входа/выхода) соответствует приему многофазного переменного тока, а конфигурация второго силового терминала (входа/выхода) соответствует выдаче постоянного тока.
23. 23. Устройство переноса заряда по п.18, отличающееся тем, что конфигурация первого силового терминала (входа/выхода) соответствует приему постоянного тока, а конфигурация второго силового терминала (входа/выхода) соответствует выдаче многофазного переменного тока.
24. 24. Устройство переноса заряда по п.18, отличающееся тем, что конфигурация первого силового терминала (входа/выхода) соответствует приему постоянного тока, а конфигурация второго силового терминала (входа/выхода) соответствует выдаче постоянного тока.
25. 25. Устройство переноса заряда по п.18, отличающееся тем, что конфигурация первого силового терминала (входа/выхода) соответствует приему многофазного переменного тока, и блок управления предназначен для управления множеством вторых переключателей для получения усредненного тока, выражаемого рядом Фурье.
26. 26. Устройство переноса заряда по п.25, отличающееся тем, что Фурье-компоненты таковы, что усредненный ток синфазен напряжению многофазного источника питания.
27. 27. Устройство переноса заряда по п.25, отличающееся тем, что Фурье-компоненты таковы, что усредненный ток сдвинут по фазе на 90 электрических градусов относительно напряжения многофазного источника питания.

    - 30 008239
28. 28. Устройство переноса заряда по п.25, отличающееся тем, что Фурье-компонент является гармоникой основной частоты многофазного источника питания, в результате чего усредненный ток представляет собой гармоническую составляющую тока.
29. 29. Устройство переноса заряда по п.18, отличающееся тем, что первый силовой терминал (вход/выход) совпадает со вторым силовым терминалом (входом/выходом) и подключен к сети переменного тока, и блок управления предназначен для управления множеством первых переключателей и множеством вторых переключателей для управления реактивным током в сети переменного тока.
30. 30. Устройство переноса заряда по п.18, которое дополнительно содержит шунтирующий переключатель, подключенный параллельно средству накопления заряда, отличающееся тем, что блок управления предназначен для управления остаточным напряжением средства накопления заряда.