RU2681313C1 - Многоуровневое устройство преобразования мощности среднего напряжения с выходом переменного тока - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области преобразовательной техники. Модульное многоуровневое устройство преобразования мощности с выходом переменного тока содержит модульный многоуровневый преобразователь (21) постоянного тока в переменный ток (DC/AC) с несколькими ветвями (1.1, 1.2, 1.3), установленными параллельно, концы которых образуют входные выводы (27, 28), причем каждая ветвь содержит две цепочки коммутационных модулей (4.11, 4.12, 4.13, 4.14, 4.15, 4.16), установленных последовательно, причем каждый коммутационный модуль имеет пару последовательных ключей (T111, T211), установленную на выводах устройства (4.3) накопления энергии, причем DC/AC-преобразователь регулирует частоту на выходе устройства преобразования. Оно дополнительно содержит преобразователь (20) с выходом постоянного тока, содержащий два выходных вывода (A, 22, 91, 92), подключенные к входным выводам (27, 28) DC/AC-преобразователя (21), причем этот преобразователь (20) с выходом постоянного тока регулирует амплитуду на выходе устройства преобразования, а DC/AC-преобразователь (21) дополнительно содержит средства (29) управления ключами (T111, T211) модулей, которые применяют к ключам двухполупериодное управление в течение по меньшей мере одного промежутка времени, причем модули одной и той же цепочки находятся одновременно в одинаковом состоянии. Технический результат - повышение КПД. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области многоуровневых устройств преобразования мощности с выходом переменного тока, предназначенных для функционирования при среднем напряжении. Такие преобразователи могут быть применены в мощных регуляторах скорости (электроприводах с переменной скоростью) для электродвигателей переменного тока. Одним из основных рынков регуляторов скорости среднего напряжения является замена имеющихся вращающихся электрических машин, функционирующих с постоянной скоростью, т.е. 97% доли рынка, системой с переменной скоростью, посредством внедрения регулятора скорости, который будет управлять этой же вращающейся машиной.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Многоуровневые преобразователи мощности постоянного тока в переменный ток основаны на последовательном подключении коммутационных модулей, образованных с электронными ключами для обеспечения возможности подъема повышенного напряжения на выходе, причем эти электронные ключи являются низковольтными компонентами, которые выдерживают ограниченное напряжение.

Известны преобразователи мощности типа NPC (Neutral Point Clamped, преобразователи мощности с фиксированной нейтральной точкой), содержащие последовательность из нескольких модулей с двумя парами последовательных электронных ключей, двух диодов, подключенных последовательно, с одной стороны, к общему узлу между двумя электронными ключами первой пары, а с другой - к общему узлу между двумя электронными ключами второй пары. Более того, имеется последовательность из двух конденсаторов, подключенных к выводам комплекта, образованного парами электронных ключей. Общий узел между двумя последовательными диодами связан с общим узлом между двумя последовательно подключёнными конденсаторами.

Этот тип модуля дает удовлетворительную форму волны и снижение ограничений по напряжению на электронных ключах. Напротив, можно получить небаланс напряжений на выводах конденсаторов.

Усовершенствования исходной топологии NPC были осуществлены путем замены двух диодов на пару электронных ключей. Эта топология называется ANPC с тремя уровнями напряжения.

Для дальнейшего повышения допустимого уровня напряжения было предложено последовательно установить больше электронных ключей и добавить конденсаторы, что привело к образованию топологии, названной ANPC с пятью уровнями напряжения. Ячейки типа ANPC с 5 уровнями напряжения в настоящее время ограничены уровнями напряжения порядка 6,9 кВ, что не всегда является достаточным.

Также известен, как проиллюстрировано на фигуре 1, многоуровневый модульный преобразователь постоянного тока в переменный ток (известный под наименованием MMC (Modular Multilevel Converter, модульный многоуровневый преобразователь), содержащий несколько ветвей 1.1, 1.2, 1.3, концы которых образуют крайние выводы 1p, 1n постоянного тока, подключенные параллельно к выводам источника питания постоянного тока, где каждая ветвь 1.1, 1.2, 1.3 образована из двух полуветвей 1.11, 1.12, 1.21, 1.22, 1.31, 1.32, подключенных последовательно и соединенных с общим выводом 3.1, 3.2, 3.3. Эти общие выводы 3.1, 3.2, 3.3 образуют выводы переменного тока, связанные с нагрузкой 70 переменного тока. Эта нагрузка 70 представлена как двигатель. В данном примере преобразователь постоянного тока в переменный ток является трехфазным, где каждая из ветвей 1.1, 1.2, 1.3 соответствует фазе: ветвь 1.1 - фазе 1, ветвь 1.2 - фазе 2 и ветвь 1.3 - фазе 3. Однофазный преобразователь будет иметь лишь две ветви.

Каждая полуветвь 1.11, 1.12, 1.21, 1.22, 1.31, 1.32 содержит цепочку коммутационных модулей, подключенных последовательно. Она подключена к одному из общих выводов 3.1, 3.2, 3.3 через катушку индуктивности L11, L12, L21, L22, L31, L32, чтобы соответствовать правилам соединения источника тока и источника напряжения. Является предпочтительным, чтобы две катушки одной и той же ветви имели одно и то же значение индуктивности для упрощения функционирования установки. Две катушки индуктивности могут быть связаны между собой. В дальнейшем описании первой цепью модулей будет называться та, которая подключена к положительному выводу 1p постоянного тока, а второй цепочкой модулей - та, которая подключена к отрицательному выводу 1n постоянного тока. Также имеется одинаковое число коммутационных модулей в каждой полуветви.

Коммутационные модули ветви 1.1 последовательно обозначены как 4.11-4.16, начиная с вывода 1p и до вывода 1n. Коммутационные модули ветви 1.2 последовательно обозначены как 4.21-4.26, начиная с вывода 1p и до вывода 1n. Коммутационные модули ветви 1.3 последовательно обозначены как 4.31-4.36, начиная с вывода 1p и до вывода 1n.

Каждый коммутационный модуль содержит по меньшей мере одну пару расположенных последовательно электронных ключей, имеющих общий узел 40, причем пара подключена параллельно с устройством 4.3 накопления энергии, образующему полумостовую конфигурацию, причем устройство 4.3 накопления энергии имеет неустойчивую (плавающую) емкость.

Электронные ключи модуля 4.11 обозначены как T111, T211. Электронные ключи модуля 4.12 обозначены как T112, T212. Нумерация продолжается аналогичным образом, и, таким образом, электронные ключи модуля 4.16 обозначены как T116, T216.

В ветви 1.2 электронные ключи модуля 4.21 обозначены как T121, T221. Электронные ключи модуля 4.22 обозначены как T122, T222. Электронные ключи модуля 4.26 обозначены как T126, T226.

В ветви 1.3 электронные ключи модуля 4.31 обозначены как T131, T231. Электронные ключи модуля 4.32 обозначены как T132, T232. Электронные ключи модуля 4.36 обозначены как T136, T236.

В каждом модуле устройство 4.3 накопления энергии имеет вывод с положительной полярностью (+), по которому поступает ток заряда (положительный ток), предназначенный для его зарядки. Устройство 4.3 накопления энергии имеет вывод с отрицательной полярностью (-), по которому поступает ток разряда (отрицательный ток), предназначенный для его разрядки. Один из электронных ключей подключен к положительному выводу (+) устройства 4.3 накопления энергии, а именно речь идет о названном выше ключе T111 у коммутационного модуля 4.11. Другой электронный ключ подключен к отрицательному выводу (-) устройства 4.3 накопления энергии, а именно речь идет о называемом ниже ключе T211 у коммутационного модуля 4.11.

Диод, установленный встречно-параллельно с силовым электронным ключом T111, обозначен как D111. Диод, установленный встречно-параллельно с силовым электронным ключом T211, обозначен как D211.

Нумерация силовых электронных ключей и диодов других модулей следует тому же принципу. Они не обязательно упоминаются в данном описании, но обозначены на некоторых фигурах. В дальнейшем описании электронные ключи T111, T112, T113, T114, T115, T116, подключенные к положительному выводу (+) устройства 4.3 накопления энергии, названы первыми электронными ключами, а электронные ключи T211, T212, T213, T214, T215, T216, подключенные к отрицательному выводу (-) устройства 4.3 накопления энергии, названы вторыми электронными ключами. Эта терминология применяется также и к диодам.

В одной и той же цепочке коммутации все силовые электронные ключи, подключенные к выводам одинаковой полярности устройств накопления энергии, считаются гомологичными.

Модулям одной полуветви присваиваются порядковые номера в порядке возрастания, начиная с более положительного конца полуветви. Модули двух полуветвей одной и той же ветви, которые имеют одинаковый порядковый номер, считаются гомологичными.

Силовые электронные ключи T111, T211 и т.д. могут быть выбраны, например, из биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), полевых транзисторов (ПТ), полевых МОП-транзисторов, запираемых тиристоров (GTO), переключаемых по управляющему электроду тиристоров с интегрированным управлением (IGCT) и т.д.

Устройство 4.3 накопления энергии может быть выбрано, например, из конденсатора, аккумулятора, топливного элемента и т.д.

На фигурах 2A-2D представлен коммутационный модуль того же типа, что и проиллюстрированные на фигуре 1.

Его первый силовой электронный ключ назван T1, а соответствующий диод назван D1. Его второй силовой электронный ключ назван T2, а соответствующий диод назван D2. На этих фигурах видны пути течения внутреннего тока Iu в таком коммутационном модуле в зависимости от закрытого или открытого состояния его силовых электронных ключей T1, T2. Ток Iu является попеременно положительным (фигуры 2A, 2B) и отрицательным (фигуры 2C, 2D). Два силовых электронных ключа T1, T2 одного и того же модуля находятся в противоположных состояниях (открытом или закрытом) с точностью до величины бестоковой паузы. Является нежелательным, чтобы два силовых электронных ключа T1, T2 коммутационного модуля были открытыми одновременно, иначе через устройство 4.3 накопления энергии пойдет ток короткого замыкания.

На фигуре 2A первый силовой электронный ключ T1 является открытым, а второй силовой электронный ключ T2 является закрытым. Ток Iu является положительным, он поступает в коммутационный модуль 4 через первый силовой электронный ключ T1 и выходит из него через общий узел 40 между двумя силовыми электронными ключами T1, T2. Он не проходит через устройство 4.3 накопления энергии.

На фигуре 2B второй силовой электронный ключ T2 является открытым, а первый силовой электронный ключ T1 является закрытым. Ток Iu является положительным, он поступает в коммутационный модуль 4 через устройство 4.3 накопления энергии, затем он проходит через второй диод D2 и выходит через общий узел 40 между двумя силовыми электронными ключами T1, T2. Ток Iu заряжает устройство 4.3 накопления энергии.

На фигуре 2C первый силовой электронный ключ T1 является открытым, а второй силовой электронный ключ T2 является закрытым. Ток Iu является отрицательным, он поступает в коммутационный модуль 4 через общий узел 40 между двумя силовыми электронными ключами T1, T2, затем он проходит через первый диод D1 и выходит из коммутационного модуля через катод первого диода D1. Он не проходит через устройство 4.3 накопления энергии.

На фигуре 2D второй силовой электронный ключ T2 является открытым, а первый силовой электронный ключ T1 является закрытым. Ток Iu является отрицательным, он поступает в коммутационный модуль через общий узел 40 между двумя силовыми электронными ключами T1, T2, затем он проходит через второй силовой электронный ключ T2, через устройство 4.3 накопления энергии и выходит из коммутационного модуля, не проходя ни через первый силовой электронный ключ T1, ни через первый диод D1. Устройство 4.3 накопления энергии разряжается.

В обычных модульных многоуровневых преобразователях постоянного тока в переменный ток, таких как преобразователи по фигуре 1, цепочки коммутационных модулей служат функции одновременно адаптации амплитуды сигнала, образованного на основе источника электропитания постоянного тока и присутствующего на уровне каждого общего вывода 3.1, 3.2, 3.3, и регулирования частоты этого сигнала. Силовые электронные ключи управляются посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

При таком управлении силовыми электронными ключами T1, T2 осуществляют чередование, - когда ток Iu является положительным, - от ситуации, когда первый силовой электронный ключ T1 является открытым (фигура 2A), к ситуации, когда проводит второй диод D2 (фигура 2B). Каждый раз, когда ток проходит через второй диод D2, напряжение на выводах устройства 4.3 накопления энергии повышается. Когда ток Iu является отрицательным, осуществляют чередование от ситуации, когда второй силовой электронный ключ T2 является открытым (фигура 2D), к ситуации, когда проводит первый диод D1 (фигура 2C). Каждый раз, когда второй силовой электронный ключ T2 является открытым, напряжение на выводах устройства 4.3 накопления энергии падает.

Обращаясь снова к фигуре 1 и сосредотачивая внимание на одной из ветвей, например, ветви 1.1, следует отметить, что имеется взаимосвязь между управлением модулями ее двух полуветвей.

Предполагается, что установка хорошо сбалансирована и что напряжение, подаваемое источником электропитания постоянного тока, - это напряжение постоянного тока (VDC), причем каждое устройство 4.3 накопления энергии заряжается до уровня VDC/3, поскольку в представленном примере цепочка коммутационных модулей содержит три коммутационных модуля в каждой полуветви. При наличии n модулей напряжение будет составлять VDC/n. Не представляется возможным, чтобы в одной и той же ветви все силовые электронные ключи, подключенные к одному и тому же выводу, положительному или отрицательному, устройств накопления энергии, были бы открытыми одновременно, для соответствия равенству напряжений. На самом деле, в каждый момент времени сумма напряжения на выводах одной полуветви и напряжения на выводах другой полуветви равно напряжению, подаваемому источником электропитания постоянного тока.

В полуветвях с помощью такого ШИМ управления коммутационные модули приводятся в действие последовательно, что означает, что силовые электронные ключи, подключенные к одному и тому же выводу, положительному или отрицательному, устройств накопления энергии, будут становиться открытыми или закрытыми последовательно. Созданное переменное напряжение, выведенное на уровне общих выводов 3.1, 3.2 или 3.3, содержит число уровней, равное числу модулей в полуветви плюс один.

Модульный многоуровневый преобразователь, использующий в каждой ветви две цепочки коммутационных модулей, установленных последовательно, подобно коммутационным модулям согласно фигурам 2, был описан впервые в патентной заявке DE 10 10 031 Райнера Марквардта (Rainer Marquardt).

В патентной заявке EP 2 408 081 также описан многоуровневый преобразователь, в котором использованы цепочки последовательно установленных коммутационных модулей.

Документы WO2014/133026A1 и EP2963801A1 описывают также модульные многоуровневые устройства преобразования мощности. Они описаны также в статье, озаглавленной «Start-up and low speed operation of an adjustable-speed motor driven by a modular multilevel cascade inverter» («Запуск и низкоскоростная эксплуатация двигателя с регулируемой частотой вращения, приводимого в действие модульным многоуровневым каскадным инвертором») - Makoto и др. -ECCE, 2012 - IEEE - 15/09/2012, стр. 718-725.

Если эти модульные многоуровневые преобразователи постоянного тока в переменный ток предназначены для выдачи выходных сигналов, со стороны переменного тока, при очень низкой частоте, например, ниже десятка герц, позволяющих, в частности, регулировать скорость двигателей переменного тока, как это имеет место для устройств накопления энергии с неустойчивой емкостью внутри каждого коммутационного модуля, то ток, текущий в этих устройствах накопления энергии, будут менять направление настолько медленно, насколько они будут продолжать заряжаться, вплоть до достижения их напряжения пробоя, и тогда возникает риск их разрушения. Если это, таким образом, приведет к приданию таким устройствам накопления энергии слишком больших размеров, то стоимость модульного многоуровневого преобразователя станет запредельно высокой, поскольку эти устройства накопления энергии стоят, как правило, очень дорого.

Кроме того, размер и стоимость устройств накопления энергии, включенных в состав этих модульных многоуровневых преобразователей, обратно пропорциональны частоте выходного сигнала. Чем ниже будет частота, тем более громоздкими и дорогими будут преобразователи. Это ограничивает применение модульных многоуровневых преобразователей с большим количеством коммутационных модулей для энергоснабжения двигателей переменного тока с переменной скоростью.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В качестве цели настоящего изобретения предложено именно создание модульного многоуровневого устройства преобразования мощности с выходом переменного тока, которое может выдавать низкочастотные сигналы, но не является громоздким и дорогим.

Другой целью изобретения является обеспечение модульного многоуровневого устройства преобразования мощности, в котором использованы низковольтные силовые компоненты для средневольтных применений, причем эти компоненты позволяют получать лучший кпд, чем со средневольтными компонентами.

Другой целью изобретения является обеспечение модульного многоуровневого устройства преобразования мощности, в котором нет необходимости иметь слишком большие устройства накопления энергии с неустойчивой емкостью.

Еще одной целью изобретения является обеспечение регулятора скорости, в котором использованы охарактеризованное таким образом модульное многоуровневое устройство преобразования мощности и который может работать при постоянном крутящем моменте и низкой скорости, в частности, для применений в вентиляции, откачке, тяге.

Дополнительной целью изобретения является предложение регулятора скорости со сниженными потребностями в пассивных компонентах, таких как громоздкий и дорогостоящий силовой трансформатор или сглаживающие LC-фильтры.

Для достижения этого настоящее изобретение представляет собой модульное многоуровневое устройство преобразования мощности с выходом переменного тока и входом переменного или постоянного тока, содержащее:

- модульный многоуровневый преобразователь постоянного тока в переменный ток (DC/AC-преобразователь) с несколькими ветвями, установленными параллельно, концы которых образуют входные выводы постоянного тока, причем каждая ветвь содержит две цепочки последовательных коммутационных модулей, подключенных к общему выводу, причем этот общий вывод образует выходной вывод переменного тока модульного многоуровневого устройства преобразования мощности, каждый коммутационный модуль содержит по меньшей мере одну пару силовых электронных ключей, расположенных последовательно, установленных на выводах устройства накопления энергии, причем силовые электронные ключи одной и той же цепочки, подключенные к выводу одной и той же полярности устройства накопления энергии, считаются гомологичными, модульный многоуровневый преобразователь постоянного тока в переменный ток предназначен для регулировки частоты на выходе модульного многоуровневого устройства преобразования мощности и дополнительно содержит средства управления силовыми электронными ключами для приведения их в открытое или закрытое состояние, отличающееся тем, что:

- средства управления выполнены с возможностью применения двухполупериодного (полнопериодного) управления в течение по меньшей мере одной части промежутка времени функционирования устройства преобразования мощности, и, таким образом, коммутационные модули одной и той же цепочки имеют их гомологичные силовые электронные ключи, находящиеся одновременно в одинаковом состоянии, и тем, что оно дополнительно содержит:

- преобразователь с выходом постоянного тока и входом постоянного или переменного тока, содержащий два выходных вывода, подключенных к входным выводам постоянного тока модульного многоуровневого преобразователя, причем данный преобразователь с выходом постоянного тока предназначен для регулировки амплитуды на выходе устройства преобразования мощности.

Каждый модуль содержит первый силовой ключ, подключенный к выводу с положительной полярностью устройства накопления энергии, и второй силовой ключ, подключенный к выводу с отрицательной полярностью устройства накопления энергии, и при двухполупериодном управлении ток течет только в тех коммутационных модулях, первый силовой ключ которых находится в открытом состоянии.

Средства управления применяют в течение по меньшей мере одной второй остающейся части упомянутого промежутка времени к силовым электронным ключам ШИМ управление, причем ШИМ управление применяется тогда, когда выходной ток модульного многоуровневого устройства преобразования мощности меньше порогового значения, а двухполупериодное управление применяется тогда, когда выходной ток выше или равен пороговому значению.

Во время ШИМ управления средства управления управляют силовыми электронными ключами модулей одной и той же цепочки модулей последовательно.

В модуле каждый силовой электронный ключ связан с диодом встречно-параллельно, так что образуется двунаправленный по току переключающий элемент.

Подключение цепочек модулей одной и той же ветви к общему выводу осуществляют через катушки индуктивности.

Каждый силовой электронный ключ может быть выбран из биполярного транзистора с изолированным затвором, полевого транзистора, полевого МОП-транзистора, запираемого тиристора, переключаемого по управляющему электроду тиристора с интегрированным управлением.

Устройство накопления энергии может быть выбрано из конденсатора, аккумулятора (батареи), топливного элемента.

Возможно, чтобы преобразователь с выходом постоянного тока и входом постоянного тока представлял собой модульный многоуровневый DC/DC-преобразователь, обладающий единственной ветвью, концы которой образуют два входных вывода постоянного тока, содержащей две последовательные полуветви, имеющие общий вывод, причем этот общий вывод образует один из выходных выводов постоянного тока, один из концов ветви образует другой выходной вывод, причем каждая полуветвь содержит цепочку коммутационных модулей с по меньшей мере одной парой силовых электронных ключей, установленных последовательно, причем эта пара установлена на выводах устройства накопления энергии, и средства управления силовыми электронными ключами каждого модуля.

Средства управления силовыми электронными ключами каждого модуля модульного многоуровневого DC/DC-преобразователя могут применять к силовым электронным ключам двухполупериодное управление, причем двухполупериодное управление имеет большую частоту, чем частота двухполупериодного управления средств управления силовыми электронными ключами каждого модуля модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя.

Преобразователь с выходом постоянного тока и входом переменного тока может представлять собой выпрямительный мост с управляемой коммутацией.

В качестве варианта, преобразователь с выходом постоянного тока и входом переменного тока может представлять собой модульный многоуровневый AC/DC-преобразователь.

Настоящее изобретение также относится к регулятору скорости, содержащему охарактеризованное таким образом модульное многоуровневое устройство преобразования мощности.

Когда модульное многоуровневое устройство преобразования мощности содержит преобразователь с выходом постоянного тока и входом переменного тока, вход переменного тока предназначен для подключения к источнику электропитания переменного тока.

Когда модульное многоуровневое устройство преобразования мощности содержит преобразователь с входом постоянного тока и выходом постоянного тока, регулятор скорости может дополнительно содержать преобразователь с входом переменного тока и выходом постоянного тока, предназначенный для подключения со стороны входа переменного тока к источнику электропитания переменного тока, а со стороны выхода постоянного тока - к преобразователю с входом постоянного тока и выходом постоянного тока.

В регуляторе скорости может быть предусмотрен трансформатор, предназначенный для подключения, с одной стороны, к источнику электропитания переменного тока, а, с другой стороны, к входу переменного тока преобразователя с входом переменного тока и выходом постоянного тока модульного многоуровневого устройства преобразования мощности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение будет лучше понято при прочтении описания приведенных примеров воплощения, которые даны лишь в чисто иллюстративных, а не ограничительных целях, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фигура 1, уже описанная, иллюстрирует обычный модульный многоуровневый DC/AC-преобразователь;

Фигуры 2A, 2B, 2C, 2D, уже описанные, иллюстрируют различные пути тока в коммутационном модуле в зависимости от состояния его силовых электронных ключей;

Фигура 3 иллюстрирует пример модульного многоуровневого устройства преобразования мощности с входом постоянного тока и выходом переменного тока, которое является альтернативным объектом изобретения;

Фигура 4A иллюстрирует синусоидальные командные сигналы, которые будут служить для определения моментов переключения первого и второго силовых ключей коммутационного модуля первой, второй и третьей ветви модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя по фигуре 3 в случае двухполупериодного управления;

Фигуры 4B, 4C, 4D представляют собой хронограммы, иллюстрирующие, исходя из командных сигналов по фигуре 4A, состояние силовых электронных ключей коммутационного модуля, находящегося в каждой из ветвей модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя по фигуре 3;

Фигура 4E иллюстрирует в зависимости от времени изменение фазовых напряжений Va, Vb, Vc, а фигура 4F иллюстрирует в зависимости от времени изменение линейных напряжений, замеренных между двумя общими выводами;

Фигуры 5A1, 5A2 иллюстрируют в зависимости от времени опорный сигнал и пилообразный несущий сигнал, используемые для определения моментов применения двухполупериодного управления и ШИМ управления к силовым электронным ключам, причем на фигуре 5A1 опорный сигнал представляет собой полную синусоиду, а на фигуре 5A2 опорный сигнал представляет собой синусоиду, усеченную на уровне гребней; фигура 5B иллюстрирует в зависимости от времени изменение фазовых напряжений Va, Vb, Vc;

Фигура 6A иллюстрирует изменение во времени напряжения постоянного тока, подаваемого источником электропитания постоянного тока, проиллюстрированным на фигуре 3, а фигура 6B иллюстрирует изменение во времени напряжения постоянного тока, образованного модульным многоуровневым DC/DC-преобразователем, проиллюстрированным на фигуре 3;

Фигуры 7A, 7B, 7C, 7D иллюстрируют пути токов, текущих в модульном многоуровневом DC/AC-преобразователе по фигуре 3 и в нагрузке, запитываемой этим преобразователем во время двухполупериодного управления;

Фигура 8 иллюстрирует регулятор скорости, который содержит модульное многоуровневое устройство преобразования мощности с входом постоянного тока и выходом переменного тока и который является объектом изобретения;

Фигура 9A иллюстрирует другой пример модульного многоуровневого устройства преобразования мощности с входом переменного тока и выходом переменного тока, который является объектом изобретения, а фигура 9B иллюстрирует регулятор скорости, который содержит другой пример модульного многоуровневого устройства преобразования мощности с входом переменного тока и выходом переменного тока и который является объектом изобретения;

Фигура 10A иллюстрирует трехфазный DC/AC-преобразователь с двумя коммутационными модулями на ветвь, а фигура 10B иллюстрирует хронограммы фазового напряжения, полученного между его выходными выводами переменного тока R, S, T и средней точкой O, и линейного напряжения между выводами R и S во время двухполупериодного управления.

Идентичные, аналогичные или эквивалентные детали различных фигур, описанные ниже, обозначены одинаковыми ссылочными номерами для облегчения перехода от одной фигуры к другой.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ КОНКРЕТНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

Далее можно обратиться со ссылкой на фигуру 3 к примеру модульного многоуровневого устройства преобразования мощности с выходом переменного тока и входом постоянного тока, который является объектом изобретения. Речь идет о трехфазном устройстве преобразования мощности.

Оно содержит установленные каскадом модульный многоуровневый DC/DC-преобразователь (или прерыватель тока) 20 и модульный многоуровневый преобразователь постоянного тока в переменный ток (или инвертор) 21.

Многоуровневый DC/DC-преобразователь 20 содержит ветвь 20.1, концы 22, 23 которой образуют два входных вывода постоянного тока, которые предназначены при эксплуатации для подключения к источнику 24 электропитания постоянного тока. Ветвь 20.1 содержит две последовательные полуветви 25, имеющие общий вывод A. Каждая полуветвь 25 содержит цепочку коммутационных модулей 26, подключенных к общему выводу A через катушку индуктивности L1, L2. Эти коммутационные модули аналогичны коммутационным модулям по фигурам 2A-2D, с парой двунаправленных по току переключающих элементов, установленных последовательно, и плавающим устройством накопления энергии, установленным параллельно с упомянутой парой. Каждый коммутационный модуль 26 подробно не представлен, т.к. чтобы рассмотреть их структуру, достаточно обратиться к фигурам 2A-2D.

Модульный многоуровневый DC/AC-преобразователь 21 аналогичен описанному на фигуре 1. Он не будет снова описываться подробно. Все ветви 1.1, 1.2, 1.3 этого преобразователя соединены параллельно, а их концы образуют два вывода постоянного тока, помеченные как 27, 28. Вывод 27 (положительный) подключен к общему выводу A модульного многоуровневого DC/DC-преобразователя 20, а вывод 28 (отрицательный) подключен к одному из концов 22 ветви 20.1, предназначенному для отрицательного вывода источника 24 электропитания постоянного тока. Они являются входными выводами модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя 21 или выходными выводами модульного многоуровневого DC/DC-преобразователя 20. Предполагается, что все компоненты модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя 21 имеют те же ссылочные номера, что и на фигуре 1. Каждая полуветвь, а значит, и каждая цепочка модулей поэтому подключена к одному из входных выводов 27 или 28 постоянного тока.

В настоящем изобретении функция модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя 21 состоит в преобразовании напряжения постоянного тока, выдаваемого модульным многоуровневым DC/DC-преобразователем 20, в напряжение переменного тока, а также в регулировании частоты сигналов на выходе, т.е. сигналов, имеющихся на общих выводах 3.1, 3.2, 3.3, со стороны переменного тока. Эти общие выводы 3.1, 3.2, 3.3 подключаются к нагрузке, представленной в данном примере в виде двигателя 70 с тремя подключенными звездой обмотками, а следовательно, имеющими общий вывод 70.1. Каждая обмотка установлена между общими выводами 3.1, 3.2, 3.3, соединяющими две полуветви одной ветви и общий вывод 70.1 нагрузки 70. В отличие от того, что имеет место в уровне техники, именно амплитудой этих сигналов управляет модульный многоуровневый DC/DC-преобразователь 20. Имеется рассогласованность между функцией управления частотой и функцией управления амплитудой.

Особенность модульного многоуровневого устройства преобразования мощности с выходом переменного тока, который является объектом изобретения, заключается в том, что, для каждого модуля модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя 21, управление его силовыми электронными ключами таково, что прохождение тока ограничивают максимумом, независимо от направления его течения, в устройствах 4.3 накопления энергии. Этот ток представляет собой ток заряда, или положительный ток, или ток разряда, или отрицательный ток. Таким образом, ограничивают продолжительность состояний, представленных на описанных ранее фигурах 2B и 2D, во избежание того, чтобы устройства накопления энергии заряжались или разряжались слишком долго по времени.

Стремятся, чтобы это не встречалось или встречалось как можно меньше в конфигурациях по фигурам 2B, 2D, и встречается наиболее часто и наиболее продолжительное время в конфигурациях по фигурам 2A, 2C.

Такое течение тока внутри модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя 21 возможно, если силовые электронные ключи каждого коммутационного модуля управляются с двухполупериодным управлением.

На фигуре 3 под ссылочным номером 29 и лишь для коммутационных модулей 4.16 схематически представлены средства управления их силовыми электронными ключами T116 и T216. Понятно, что такие средства управления существуют для всех силовых электронных ключей всех модулей модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя 21.

Для облегчения понимания работы модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя 21 следует в первую очередь разъяснить со ссылкой на фигуру 10A функционирование обычного трехфазного DC/AC-преобразователя, управляемого двухполупериодным управлением. Это - не многоуровневый преобразователь. Он содержит три ветви B1, B2, B3, подключенные их крайними выводами параллельно к выводам источника электропитания постоянного тока, подающего напряжение постоянного тока VDC, и представленные двумя последовательными конденсаторами C1, C2, имеющими среднюю точку O. Каждая ветвь подразделяется на две полуветви, которые имеют общий вывод, и эти общие выводы образуют выходные выводы переменного тока преобразователя, обозначенные как R, S, T. Каждая полуветвь содержит только двунаправленный по току переключающий элемент с силовым электронным ключом и диодом, включенным встречно-параллельно. Ветвь B1 содержит силовой электронный ключ T10 и диод D10, и они подключены к положительному выводу (+) источника электропитания постоянного тока, т.е. к конденсатору C1. Ветвь B1 также содержит силовой электронный ключ T10' и диод D10', и они подключены к отрицательному выводу (-) источника электропитания постоянного тока, т.е. к конденсатору C2. Ветвь B2 содержит силовой электронный ключ T20 и диод D2, и они подключены к положительному выводу (+) источника электропитания постоянного тока, т.е. к конденсатору C1. Ветвь B2 также содержит силовой электронный ключ T20' и диод D20', и они подключены к отрицательному выводу (-) источника электропитания постоянного тока, т.е. к конденсатору C2. Ветвь B3 содержит силовой электронный ключ T30 и диод D30, и они подключены к положительному выводу (+) источника электропитания постоянного тока, т.е. к конденсатору C1. Ветвь B3 также содержит силовой электронный ключ T30' и диод D30', и они подключены к отрицательному выводу (-) источника электропитания постоянного тока, т.е. к конденсатору C2.

Напряжение между выходным выводом переменного тока R, S или T и средней точкой O колеблется между +VDC/2 и -VDC/2 таким образом, как представлено на фигуре 10B, при двухполупериодном управлении. Силовые электронные ключи каждого модуля находятся в противоположных состояниях с точностью до бестоковой паузы, поскольку они не должны быть открытыми одновременно, из-за риска короткого замыкания источника электропитания VDC. В течение периода действия выходного сигнала каждый силовой электронный ключ открыт в течение половины времени. Три первые хронограммы представляют соответственно фазовые напряжения V_RO, V_SO, V_TO, а последняя хронограмма представляет линейное напряжение U_RS между выводом R и выводом S.

Когда силовой электронный ключ T10 является открытым, напряжение на выходном выводе R доходит до +VDC/2. Если ток, проходящий по ветви B1, является положительным, то он проходит через силовой электронный ключ T10. Если ток, проходящий по ветви B1, является отрицательным, то он проходит через диод D10. Когда силовой электронный ключ T10' открыт, напряжение на выходном выводе R доходит до -VDC/2. Если ток, проходящий по ветви B1, является положительным, то он проходит через диод D10'. Если ток, проходящий по ветви B1, является отрицательным, он проходит через силовой электронный ключ T10'.

Для каждой из ветвей 1.1, 1.2, 1.3 в течение половины периода катушка индуктивности L11, L21, L31 подключена к положительному входному выводу 27, а в течение другой половины катушка индуктивности L12, L22, L32 подключена к отрицательному выходному выводу 28. Из-за наличия этих катушек индуктивности потенциал, имеющийся на положительном входном выводе 27 или на отрицательном входном выводе, никогда не присутствует на общих выводах 3.1, 3.2, 3.3. Потенциал на этих общих выводах невозможно контролировать непосредственно.

В DC/AC-преобразователе 21, проиллюстрированном на фигуре 3, для получения напряжения +VDC на общем узле 40, подключенном к одной из катушек индуктивности L11, L21, L31, средства 29 управления одновременно открывают первые силовые электронные ключи T111, T112, T113 всех коммутационных модулей 4.11, 4.12, 4.13 первой цепочки модулей. Однако первые силовые электронные ключи T114, T115, T116 всех коммутационных модулей 4.14, 4.15, 4.16 второй цепочки модулей не должны быть открытыми. Они закрыты, поскольку иначе на ветви создается короткое замыкание.

Для обеспечения того, чтобы это короткое замыкание не возникло, средства 29 управления открывают также все вторые силовые электронные ключи T214, T215, T216 всех коммутационных модулей 4.14, 4.15, 4.16 второй цепочки модулей, и делают это синхронно с управлением первыми силовыми электронными ключами T111, T112, T113 первой цепочки модулей.

Для получения напряжения -VDC на крайнем выводе катушек индуктивности L12, L22, L32, противоположном выводу, подключенному к общему выводу 3.1, 3.2, 3.3, средства 29 управления одновременно открывают первые силовые электронные ключи T114, T115, T116 всех коммутационных модулей 4.14, 4.15, 4.16 второй цепочки модулей. Однако первые силовые электронные ключи T111, T112, T113 всех коммутационных модулей 4.11, 4.12, 4.13 первой цепочки модулей не должны быть открытыми. Они закрыты, поскольку иначе на ветви создается короткое замыкание.

Для обеспечения того, что это короткое замыкание не произойдет, средства 29 управления открывают также все вторые силовые электронные ключи T211, T212, T213 всех коммутационных модулей 4.11, 4.12, 4.13 первой цепочки модулей, и делают это синхронно с управлением первыми силовыми электронными ключами T114, T115, T116 второй цепочки модулей.

В тех модулях, у которых первый силовой электронный ключ открыт, ток будет проходить через него, если он является положительным (как на фигуре 2A), и будет проходить через первый диод, если он является отрицательным (как на фигуре 2C). Он больше не проходит через устройство накопления энергии. Ток течет только в тех коммутационных модулях, первый силовой ключ которых является открытым. Он не будет проходить через коммутационные модули, второй силовой ключ которых открыт.

Первые силовые электронные ключи одной цепочки коммутационных модулей и первые силовые электронные ключи другой цепочки коммутационных модулей находятся в комплементарных состояниях с точностью до бестоковой паузы.

Вторые силовые электронные ключи одной цепочки коммутационных модулей и вторые силовые электронные ключи другой цепочки коммутационных модулей находятся в комплементарных состояниях с точностью до бестоковой паузы.

Силовые электронные ключи одного и того же коммутационного модуля находятся в комплементарных состояниях с точностью до бестоковой паузы.

Когда в коммутационном модуле делают открытым второй силовой электронный ключ, на выводах первого силового электронного ключа этого коммутационного модуля обнаруживается напряжение устройства накопления энергии.

В настоящем изобретении с двухполупериодным управлением вторые силовые электронные ключи не принимают участия в генерировании выходных сигналов. Но, когда их делают открытыми и связывают их с устройством накопления энергии, они обладают функцией сглаживания напряжения, прикладываемого к выводам первых силовых электронных ключей, которые тогда находятся в закрытом состоянии. Поэтому у них есть свое место в установке.

Таким образом, устройства 4.3 накопления энергии используются только как сглаживатели сигналов. Значения емкости устройств 4.3 накопления энергии могут быть уменьшены по сравнению со значениями емкости, необходимыми при обычном ШИМ управлении.

В настоящем изобретении, в рамках применения к нагрузке типа трехфазного асинхронного двигателя, частота может составлять порядка одного Гц или даже до десятка Гц и коэффициент заполнения 0,5. Коэффициент заполнения соответствует половине периода желаемого сигнал на выходе модульного многоуровневого устройства преобразования мощности с выходом переменного тока.

На фигуре 4A представлены синусоидальные командные сигналы, которые будут служить для определения моментов переключения первого и второго силовых электронных ключей коммутационного модуля модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя 21. Все эти модули находятся в первой цепочки модулей. Синусоида ① относится, например, к силовым электронным ключам T111, T211 коммутационного модуля 4.11 ветви 1.1. Синусоида ② относится, например, к силовым электронным ключам T121, T221 коммутационного модуля 4.21 ветви 1.2. Синусоида ③ относится к силовым электронным ключам T131, T231 коммутационного модуля 4.31 ветви 1.3. Моменты переключения соответствуют тем моментам, в которые командный сигнал меняет свой знак.

На хронограммах по фигурам 4B, 4C, 4D представлено состояние первого и второго силовых электронных ключей T111 и T211, T121 и T221, T131 и T231 соответственно во время двухполупериодного управления. Команды, подаваемые на различные ветви, сдвинуты на треть периода. При состоянии 1 они являются открытыми, а при состоянии 0 они являются закрытыми. Переключение силовых электронных ключей вызывается изменением знака соответствующего командного сигнала.

На фигуре 4E представлено в зависимости от времени изменение фазового напряжения, называемого соответственно Va, Vb, Vc. Фазовое напряжение Va, Vb, Vc представляет собой напряжение, снятое между каждым общим выводом 3.1, 3.2, 3.3 и мнимой средней точкой электропитания постоянного тока (шиной постоянного тока) входа модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя 21. Это фазовое напряжение имеет две площадки: одну - положительную, а другую - отрицательную. На пике этих площадок имеется сдвиг, вызванный тем, что потенциал на общих выводах 3.1, 3.2, 3.3 непосредственно не контролируется.

На фигуре 4F представлено в зависимости от времени изменение линейного напряжения, снимаемого между двумя общими выводами. Напряжение Vab присутствует между выводами 3.1 и 3.2, напряжение Vbc присутствует между выводами 3.2 и 3.3, а напряжение Vca присутствует между выводами 3.3 и 3.1. Это линейное напряжение обладает тремя площадками: нулевой, положительной и отрицательной.

Наконец, каково бы ни было число коммутационных модулей, установленных последовательно в полуветви, линейное напряжение всегда имеет три уровня. Управление, обеспечиваемое средствами 29 управления, является простым, поскольку все коммутационные модули одной и той же полуветви управляются идентично и синхронно. Их первые силовые электронные ключи находятся в одинаковом состоянии в одно и то же время. Их вторые силовые электронные ключи находятся в одинаковом состоянии в одно и то же время, причем это состояние противоположно состоянию первых силовых электронных ключей. Модули одной и той же ветви, но принадлежащие различным полуветвям, синхронно управляются противоположным образом. С другой стороны, форма выходных сигналов уже далека от синусоиды, которая всегда является искомой формой волны для энергоснабжения нагрузки переменного тока.

При таком двухполупериодном управлении, для каждой ветви согласно знаку управляющего напряжения, намеренно управляют состоянием первых и вторых силовых электронных ключей всех модулей одной из ее полуветвей синхронно таким образом, чтобы ток, текущий в каждом из модулей этой полуветви, не проходил через устройство 4.3 накопления энергии. Потребность в плане емкости и колебания напряжения на выводах устройств накопления энергии сильно уменьшена. Устройства 4.3 накопления энергии выполняют функцию сглаживания перенапряжений, возникающих в ходе переключений первого и второго силовых электронных ключей модуля, которые не являются синхронными, т.е. во время бестоковых пауз.

Определение размеров устройств накопления энергии получают с помощью обычной формулы I=CdU/dt, где C - емкость устройства накопления энергии коммутационного модуля DC/AC-преобразователя, I - пропускаемый через него ток, и U - напряжение на его выводах. Время протекания тока в устройстве накопления энергии ограничивают максимумом.

При двухполупериодном управлении устройства накопления энергии уже практически не задействованы и могут иметь значения емкости, в двадцать раз меньшие, чем значения емкости, которые они имели бы, если силовые электронные ключи управлялись бы с обычным ШИМ управлением.

Для улучшения формы волны сигналов на выходе устройства преобразования мощности с выходом переменного тока, которое является объектом изобретения, и для снижения числа гармоник можно, вместо сохранения чисто двухполупериодного управления в течение всего промежутка времени функционирования устройства преобразования мощности, использовать смешанное двухполупериодное управление, связанное с ШИМ управлением.

В течение промежутка времени функционирования устройства преобразования мощности ШИМ управление будет использоваться тогда, когда амплитуда переменного тока в нагрузке 70 мала, ниже порогового значения. Двухполупериодное управление будет использоваться тогда, когда амплитуда переменного тока в нагрузке 70 высока, т.е. больше или равна пороговому значению. Во время ШИМ управления модули полуветви управляются последовательно, а не одновременно. Этот переменный ток, текущий в нагрузке, также называется выходным током модульного многоуровневого устройства преобразования мощности, которое является объектом изобретения.

Это ШИМ управление, обеспечиваемое средствами 29 управления, сводится к разрешению пропускания тока во втором диоде коммутационных модулей первой полуветви, а значит, и в устройстве 4.3 накопления энергии модулей первой полуветви, когда ток в нагрузке 70 является положительным и его амплитуда ниже порогового значения. Это ШИМ управление сводится к разрешению пропускания тока во втором силовом электронном ключе коммутационных модулей второй полуветви, а значит, и в устройстве накопления энергии модулей второй полуветви, когда ток в нагрузке 70 является отрицательным и его амплитуда ниже порогового значения.

При использовании этого смешанного управления повышение напряжения на выводах устройства 4.3 накопления энергии модулей становится ограниченным и разумным. Его величина, подаваемая на устройства 4.3 накопления энергии, намного ниже, чем та, которую оно могло бы иметь, если было бы обычное ШИМ управление использовалось постоянно.

На самом деле, определение размеров устройств накопления энергии при обычном ШИМ управлении основано на частоте выходного сигнала для временного параметра (dt) и на токе (I), заряжающем устройство накопления энергии. Емкость, придаваемая устройствам накопления энергии, соответствует тому случаю, когда ток максимален, а частота минимальна. В настоящем изобретении ток в устройствах накопления энергии никогда не бывает слишком высоким, поскольку ток в нагрузке 70 имеет ограниченную амплитуду ниже порогового значения.

Это смешанное двухполупериодное управление, связанное с ШИМ управлением, может быть реализовано при сопоставлении синусоидального или усеченного синусоидального опорного сигнала, называемого модулирующим, с пилообразным сигналом, называемым несущим.

Можно обратиться к фигурам 5A1 и 5A2. На фигуре 5A1 опорный сигнал представляет собой полную синусоиду, а на фигуре 5A2 опорный сигнал представляет собой синусоиду, усеченную на уровне гребней. Опорный сигнал имеет такую же частоту, как и частота желаемого сигнала на выходе, и большую амплитуду, чем у пилообразного сигнала, если синусоида полная, или равную амплитуде пилообразного сигнала, если синусоида усеченная. В качестве своей частоты пилообразный сигнал имеет частоту переключения силовых электронных ключей. Это более высокая частота, чем частота опорного сигнала, и она может быть порядка 10³ Гц или даже более.

В обычном ШИМ управлении амплитуда опорного сигнала всегда ниже амплитуды несущей.

Когда амплитуда опорного сигнала ниже амплитуды несущей, используют ШИМ управление, и напряжение Va, Vb, Vc, присутствующее на общих выводах 3.1, 3.2, 3.3, передает довольно точно форму опорного сигнала. В ветви 1.1, например, внутренний ток в коммутационных модулях 4.11-4.16 проходит через устройства 4.3 накопления энергии и либо вторые силовые электронные ключи T211, T212, T213, T214, T215, T216, либо вторые диоды D211, D212, D213, D214, D215, D216, в зависимости от того, является ток положительным или отрицательным, в течение периодов времени, которые соответствуют запиранию первых силовых электронных ключей T111, T112, T113, T114, T115, T116. Команды силовым электронным ключам различных модулей полуветви являются последовательными. Команды силовым электронным ключам двух гомологичных модулей, принадлежащих двум полуветвям одной и той же ветви, являются синхронными.

Как только амплитуда опорного сигнала становится равной или большей амплитуды несущей, используют двухполупериодное управление, и напряжение Va, Vb, Vc, присутствующее на общих выводах 3.1, 3.2, 3.3, отклоняется от формы опорного сигнала и приобретает форму, сопоставимую с формами, показанными на фигурах 4E в окрестностях гребней. Как только амплитуда опорного сигнала достигла амплитуды несущей, это означает, что ток в нагрузке достиг порогового значения. В ветви 1.1, например, внутренний ток в коммутационных модулях 4.11-4.16 не проходит через устройства 4.3 накопления энергии, поскольку первые силовые электронные ключи T111, T112, T113 или T114, T115, T116 коммутационных модулей 4.11, 4.12, 4.13 или 4.14, 4.15, 4.16 одной и того же полуветви остаются открытыми.

На фигуре 5B представлено в зависимости от времени изменение фазового напряжения, которое представляет собой напряжение, снятое между каждым общим выводом 3.1, 3.2, 3.3 и общим выводом 70.1 нагрузки 70, причем это фазовое напряжение называется соответственно Va, Vb, Vc. Масштабы для фигур 5A и 5B различные.

При таком смешанном двухполупериодном управлении, связанном с ШИМ управлением, регулированием амплитуд опорного сигнала и несущего сигнала можно найти компромисс, позволяющий ограничить напряжение на выводах устройств накопления энергии, с получением напряжений на общих выводах 3.1, 3.2, 3.3, частота которых является регулируемой и которые больше приближаются к желаемой синусоиде.

Что касается модульного многоуровневого DC/DC-преобразователя 20, то его ветвь 20.1 может быть образована из коммутационных модулей 26, идентичных коммутационным модулям модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя 21.

Его коммутационные модули 26 также управляются с двухполупериодным управлением, как и у модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя 21. Средства управления его силовыми электронными ключами схематично представлены на фигуре 3 под ссылочным номером 30 и лишь для единственного из коммутационных модулей 26.

С другой стороны, частота двухполупериодного управления будет более высокой, чем используемая в модульном многоуровневом DC/AC-преобразователе 21. Эта частота может быть порядка ста Гц с коэффициентом заполнения α, составляющим от 0,1 до 0,9. Коэффициент заполнения α соответствует соотношению между временем пропускания тока первыми силовыми электронными ключами и периодом отключения. Существует соотношение типа Vs= αVe между входным напряжением Ve и выходным напряжением Vs модульного многоуровневого DC/DC-преобразователя 20. Регулирование величины коэффициента заполнения α позволяет регулировать амплитуду выходного напряжения Vs постоянного тока.

Фигура 6A иллюстрирует изменение во времени напряжения постоянного тока, подаваемого источником 24 электропитания постоянного тока, а фигура 6B иллюстрирует изменение во времени выходного напряжения постоянного тока, имеющегося на выводах 27 и 28, которые соответствуют выходным выводам модульного многоуровневого DC/DC-преобразователя 20 для данной величины коэффициента заполнения α.

Конечно, можно управлять модулями 26 модульного многоуровневого DC/DC-преобразователя 20 с помощью ШИМ управления, в котором опорный сигнал является постоянным, а несущий - пилообразным сигналом.

Теперь обратимся к фигурам 7A, 7B, 7C, 7D, которые показывают пути токов в трехфазном модульном многоуровневом DC/AC-преобразователе 21 и в трехфазной нагрузке 70 в варианте двухполупериодного управления. Каждая из фаз нагрузки подключена к общему выводу 3.1, 3.2, 3.3.

На фигуре 7A входящий ток заряда Idc распределяется практически равномерно в первой полуветви 1.11 фазы 1 и в первой полуветви 1.31 фазы 3, он проходит через нагрузку 70 и возвращается в модульный многоуровневый DC/AC-преобразователь 21 по второй полуветви 1.22 фазы 2. На фигуре 7B ток заряда Idc проходит полностью в первую полуветвь 1.11 фазы 1, он проходит через нагрузку 70 и возвращается в модульный многоуровневый DC/AC-преобразователь 21 по второй полуветви 1.22 фазы 2, второй полуветви 1.32 фазы 3, распределяясь практически равномерно в каждую из них. На фигуре 7C ток заряда Idc распределяется практически равномерно в первой полуветви 1.11 фазы 1 и в первой полуветви 1.21 фазы 2, он проходит через нагрузку 70 и возвращается в модульный многоуровневый DC/AC-преобразователь 21 по второй полуветви 1.32 фазы 3. На фигуре 7D ток заряда Idc проходит полностью в первую полуветвь 1.21 фазы 2, он проходит через нагрузку 70 и возвращается в модульный многоуровневый DC/AC-преобразователь 21 по второй полуветви 1.12 фазы 1 и второй полуветви 2.32 фазы 3, распределяясь практически равномерно в каждую из них. Эти схемы соответствуют положительному току заряда Idc.

Из-за наличия катушек индуктивности L11, L12, L21, L22, L31, L32, при прекращении управления модулями полуветви, например, верхней, и при переходе к управлению модулями полуветви, например, нижней, току требуется определенное время для перехода из верхней полуветви в нижнюю полуветвь. Но, с учетом масштаба времени, можно считать, что ток на выходе является постоянным и что переход, который получается, незначителен. Но именно во время этого перехода ток будет проходить в устройства накопления энергии.

Теперь обратимся к фигуре 8, которая схематически отображает регулятор скорости, который является объектом изобретения. Этот регулятор скорости включает в себя модульное многоуровневое устройство 82 преобразования мощности с выходом переменного тока и входом постоянного тока, которое является объектом изобретения.

Регулятор скорости содержит, начиная с трехфазного источника 80 электропитания переменного тока, установленные каскадом AC/DC-преобразователь 81 и затем модульное многоуровневое устройство 82 преобразования мощности DC/AC, являющееся объектом изобретения. Нагрузка 70 предназначена подключаться к выходу модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя 21. В зависимости от характеристик гармоник устройства преобразования мощности DC/AC, являющегося объектом изобретения, может отпасть необходимость в использовании сглаживающих фильтров, которые были необходимы при применении многоуровневого DC/AC-преобразователя согласно уровню техники, такого как преобразователи NPC или ANPC, ограниченные пятью уровнями напряжения. Смешанное двухполупериодное управление, связанное с ШИМ управлением, позволяет уменьшить гармоники относительно двухполупериодного управления. На выходе из модульного многоуровневого устройства 82 преобразования мощности DC/AC имеется больше уровней напряжения, чем в варианте с использованием двухполупериодного управления. Трехфазным источником 80 электропитания переменного тока является сеть переменного тока.

В регуляторах скорости уровня техники, в которых использован модульный многоуровневый DC/AC-преобразователь, такой как преобразователь по фигуре 1, также имеется AC/DC-преобразователь между трехфазным источником электропитания переменного тока и модульным многоуровневым DC/AC-преобразователем. Было необходимо предусматривать LC-фильтр для фильтрации тока и напряжения, установленный между модульным многоуровневым DC/AC-преобразователем и AC/DC-преобразователем. Было также необходимо предусмотреть LC-фильтр сглаживания тока, включенный между трехфазным источником электропитания переменного тока и AC/DC-преобразователем, а также LC-фильтр сглаживания напряжения между модульным многоуровневым DC/AC-преобразователем и нагрузкой.

В регуляторе скорости, в котором использовано модульное устройство 82 преобразования мощности DC/AC по изобретению, трансформатор не обязателен. Если он используется, его необходимо включить между трехфазным источником 80 электропитания переменного тока и AC/DC-преобразователем 81. Он изображен пунктиром, т.к. он не обязательный, под ссылочным номером 84. Он служит для адаптации уровня напряжения источника 80 электропитания переменного тока, который имеется в применениях регулятора скорости среднего напряжения, например, составляющего от 2,3 кВ до 15 кВ.

Трансформатор представляет собой часто очень громоздкий и дорогостоящий компонент. Можно без него обойтись, благодаря цепочке последовательных модулей, что позволяет непосредственно поддерживать уровень напряжения трехфазного источника электропитания переменного тока.

Фигура 9A далее иллюстрирует другой, неограничивающий пример модульного многоуровневого устройства преобразования мощности AC/AC, которое является объектом изобретения. В этом примере модульное многоуровневое устройство преобразования мощности AC/AC является трехфазным. Конечно, оно может быть и однофазным. Это модульное многоуровневое устройство преобразования мощности AC/AC может служить таким регулятором скорости как оно есть. Оно содержит модульный многоуровневый DC/AC-преобразователь 21, такой как описанный на фигуре 2, но не модульный многоуровневый DC/DC-преобразователь. Вместо модульного многоуровневого DC/DC-преобразователя имеется AC/DC-преобразователь 90, подключенный к модульному многоуровневому DC/AC-преобразователю 21. Этот AC/DC-преобразователь 90 предназначен для его подключения, с одной стороны, к источнику 80 электропитания переменного тока, а с другой стороны, он подключен к двум выводам 27, 28 постоянного тока, образованным концами ветвей DC/AC-преобразователя 21.

AC/DC-преобразователь 90 может представлять собой AC/DC-преобразователь 90 типа выпрямительного моста с управляемой коммутацией. Он содержит три ветви 90.1, 90.2, 90.3, установленные параллельно, причем их концы 91, 92 образуют два вывода постоянного тока, подключенные к выводам 27, 28 постоянного тока модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя 21. Каждая ветвь 90.1, 90.2, 90.3 содержит два последовательных полупроводниковых элементарных прерывателя 9.11, 9.12, 9.21, 9.22, 9.31, 9.32, имеющих общий узел A1, A2, A3, причем каждый из этих общих узлов A1, A2, A3 образует входной вывод переменного тока (или вход переменного тока), предназначенный для подключения к источнику 80 электропитания переменного тока.

На фигуре 9A элементарные прерыватели 9.11, 9.12, 9.21, 9.22, 9.31, 9.32 были представлены в виде тиристоров, но это лишь неограничивающий пример. Конечно, можно заменить их другими типами управляемых полупроводниковых прерывателей.

В другом варианте воплощения, проиллюстрированном на фигуре 9B, AC/DC-преобразователь 90 был заменен модульным многоуровневым AC/DC-преобразователем, имеющим модули 41, аналогичные модулю модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя, показанного на фигуре 1, причем этот модульный многоуровневый AC/DC-преобразователь в таком случае обладает несколькими ветвями 95.1, 95.2, 95.3, установленными параллельно, концы которых образуют выводы 97, 98 постоянного тока. Эти выводы постоянного тока подключены к выводам 27, 28 постоянного тока модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя 21, а значит, совмещаются с ними. Каждая ветвь 95.1, 95.2, 95.3 содержит две цепочки 96.11, 96.12, 96.21, 96.22, 96.31, 96.32 коммутационных модулей 41, установленных последовательно, имеющих общий вывод соответственно 93.1, 93.2, 93.3. Подключение к этим общим выводам осуществляется через катушку индуктивности. Эти общие выводы 93.1, 93.2, 93.3 образуют выводы переменного тока, подключаемые к источнику 80 электропитания переменного тока. Каждый коммутационный модуль 41 идентичен проиллюстрированному на фигурах 2A-D. На фигуре 9B предусмотрен трансформатор 84, предназначенный для его подключения, с одной стороны, к источнику 80 электропитания переменного тока, а с другой стороны, к входу переменного тока преобразователя 90 с входом переменного тока и выходом постоянного тока модульного многоуровневого устройства преобразования мощности. Трансформатор 84 является необязательным.

В этих вариантах воплощения AC/DC-преобразователь используется для регулировки амплитуды сигнала, создаваемого модульным многоуровневым DC/AC-преобразователем.

Хотя выше было подробно представлено и описано несколько примерных вариантов воплощения настоящего изобретения, следует понимать, что в них могут быть внесены различные изменения и модификации без отступления от объема изобретения.

Claims (18)

1. Модульное многоуровневое устройство преобразования мощности с выходом переменного тока и входом переменного или постоянного тока, содержащее:

модульный многоуровневый преобразователь (21) постоянного тока в переменный ток (DC/AC) с несколькими ветвями (1.1, 1.2, 1.3), установленными параллельно, концы которых образуют входные выводы (27, 28) постоянного тока, причем каждая ветвь содержит две цепочки последовательных коммутационных модулей (4.11, 4.12, 4.13, 4.14, 4.15, 4.16), подключенных к общему выводу (3.1, 3.2, 3.3), причем этот общий вывод образует выходной вывод переменного тока модульного многоуровневого устройства преобразования мощности, причем каждый коммутационный модуль (4.11, 4.12, 4.13, 4.14, 4.15, 4.16) содержит по меньшей мере одну пару силовых электронных ключей (T111, T211), расположенных последовательно, установленную на выводах устройства (4.3) накопления энергии, причем силовые электронные ключи (T111, T112, T113) одной и той же цепочки, подключенные к выводу одинаковой полярности устройства (4.3) накопления энергии, считаются гомологичными, модульный многоуровневый преобразователь (21) постоянного тока в переменный ток предназначен для регулировки частоты на выходе модульного многоуровневого устройства преобразования мощности и дополнительно содержит средства (29) управления силовыми электронными ключами для приведения их в открытое или закрытое состояние,

отличающееся тем, что средства (29) управления выполнены с возможностью применения двухполупериодного управления на силовые электронные ключи в течение по меньшей мере одной части промежутка времени функционирования устройства преобразования мощности, и тогда коммутационные модули (4.11, 4.12, 4.13) одной и той же цепочки имеют гомологичные силовые электронные ключи (T111, T112, T113) одновременно в одинаковом состоянии, и тем, что оно дополнительно содержит преобразователь (20) с выходом постоянного тока и входом постоянного или переменного тока, содержащий два выходных вывода (A, 22), подключенных к входным выводам (27, 28) постоянного тока модульного многоуровневого преобразователя (21), причем данный преобразователь с выходом постоянного тока предназначен для регулировки амплитуды на выходе устройства преобразования мощности.

2. Модульное многоуровневое устройство преобразования мощности по п. 1, в котором каждый модуль (4.11, 4.12, 4.13) содержит первый силовой ключ (T111, TT112, T113), подключенный к выводу положительной полярности устройства (4.3) накопления энергии, и второй силовой ключ (T211, T212, T213), подключенный к выводу отрицательной полярности устройства (4.3) накопления энергии, причем во время двухполупериодного управления ток течет только в коммутационных модулях, первый силовой ключ которых находится в открытом состоянии.

3. Модульное многоуровневое устройство преобразования мощности по одному из пп. 1 или 2, в котором средства (29) управления применяют к силовым электронным ключам (T111, T211, T112, T212, T113, T213) ШИМ управление в течение по меньшей мере одной другой оставшейся части упомянутого промежутка времени, причем ШИМ управление применяется тогда, когда выходной ток модульного многоуровневого устройства преобразования мощности меньше порогового значения, а двухполупериодное управление - когда выходной ток больше или равен пороговому значению.

4. Модульное многоуровневое устройство преобразования мощности по п. 3, в котором средства (29) управления последовательно управляют силовыми электронными ключами модулей одной и той же цепочки модулей во время ШИМ управления.

5. Модульное многоуровневое устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-4, в котором каждый силовой электронный ключ (T111) соединен с диодом (D111) встречно-параллельно.

6. Модульное многоуровневое устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-5, в котором каждый силовой электронный ключ (T111, T211) выбран из биполярного транзистора с изолированным затвором, полевого транзистора, полевого МОП-транзистора, запираемого тиристора, переключаемого по управляющему электроду тиристора с интегрированным управлением.

7. Модульное многоуровневое устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-6, в котором устройство (4.3) накопления энергии выбрано из конденсатора, аккумулятора, топливного элемента.

8. Модульное многоуровневое устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-7, в котором подключение цепочек модулей одной и той же ветви к общему выводу (3.1, 3.2, 3.3) выполнено через катушки индуктивности (L11, L12, L21, L22, L31, L32).

9. Модульное многоуровневое устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-5, в котором преобразователь (20) с выходом постоянного тока и входом постоянного тока представляет собой модульный многоуровневый DC/DC-преобразователь, обладающий единственной ветвью (20.1), концы которой образуют два входных вывода постоянного тока, содержащей две последовательные полуветви (25), имеющие общий вывод (A), причем этот общий вывод (A) образует один из выходных выводов постоянного тока, а один из концов образует другой выходной вывод (22), причем каждая полуветвь содержит цепочку коммутационных модулей (26) с по меньшей мере одной парой силовых электронных ключей, установленных последовательно, причем эта пара установлена на выводах устройства накопления энергии, и средства (30) управления силовыми электронными ключами каждого модуля.

10. Модульное многоуровневое устройство преобразования мощности по п. 9, в котором средства (30) управления силовыми электронными ключами каждого модуля (26) модульного многоуровневого DC/DC-преобразователя (20) применяют к силовым электронным ключам двухполупериодное управление, имеющее большую частоту, чем частота двухполупериодного управления средств (29) управления силовыми электронными ключами каждого модуля (4.11, 4.12, 4.13) модульного многоуровневого DC/AC-преобразователя (21).

11. Модульное многоуровневое устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-8, в котором преобразователь (90) с выходом постоянного тока и входом переменного тока представляет собой выпрямительный мост с управляемой коммутацией.

12. Модульное многоуровневое устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-8, в котором преобразователь (90) с выходом постоянного тока и входом переменного тока представляет собой модульный многоуровневый AC/DC-преобразователь.

13. Регулятор скорости, содержащий модульное многоуровневое устройство преобразования мощности по любому из пп. 1-12.

14. Регулятор скорости по п. 13, в котором модульное многоуровневое устройство преобразования мощности содержит преобразователь (90) с выходом постоянного тока и входом переменного тока, причем вход (A1, A2, A3) переменного тока предназначен для его подключения к источнику (80) электропитания переменного тока.

15. Регулятор скорости по п. 13, в котором модульное многоуровневое устройство преобразования мощности содержит преобразователь (20) с входом постоянного тока и выходом постоянного тока, причем регулятор скорости дополнительно содержит преобразователь (81) с входом переменного тока и выходом постоянного тока, предназначенный для его подключения со стороны входа переменного тока к источнику (80) электропитания переменного тока, а со стороны выхода постоянного тока - к преобразователю (20) с входом постоянного тока и выходом постоянного тока.

16. Регулятор скорости по п. 15, дополнительно содержащий трансформатор (84), предназначенный для его подключения, с одной стороны, к источнику (80) электропитания переменного тока, а с другой стороны, к входу переменного тока преобразователя (90) с входом переменного тока и выходом постоянного тока модульного многоуровневого устройства преобразования мощности.

Images