ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, ВЫПОЛНЕННЫЙ ПО КОМБИНИРОВАННОЙ СХЕМЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, ВЫПОЛНЕННЫЙ ПО КОМБИНИРОВАННОЙ СХЕМЕ


RU (11) 2269196 (13) C1

(51) МПК
H02M 7/53 (2006.01)
H02J 3/18 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 11.01.2009 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2004122340/09 
(22) Дата подачи заявки: 2004.07.20 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2004.07.20 
(45) Опубликовано: 2006.01.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: US 6621719 А, 16.09.2003. RU 2125335 C1, 20.01.1999. RU 2131640 C1, 10.06.1999. SU 1086525 A1, 15.04.1984. US 4688165 A, 18.08.1987. 
(72) Автор(ы): Мустафа Георгий Маркович (RU); Сеннов Юрий Михайлович (RU); Луганская Ирина Борисовна (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" (RU) 
Адрес для переписки: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, 12, ГУП ВЭИ, патентно-лицензионный отдел, С.А. Селивановскому 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, ВЫПОЛНЕННЫЙ ПО КОМБИНИРОВАННОЙ СХЕМЕИспользование: для устройств регулирования и компенсации реактивной мощности в энергосистемах, а также в качестве инвертора в высоковольтном частотно-регулируемом электроприводе. Технический результат заключается в повышении надежности и снижении потерь мощности при построении комбинированной схемы высоковольтного преобразователя, а также в отношении динамических потерь в полупроводниковых приборах. Преобразователь построен по комбинированной схеме, включающей в себя трехфазную мостовую схему инвертора напряжения (с последовательным соединением полупроводниковых приборов типа IGCT, IGBT и пр.), к каждому фазному выходу которого подключены один или несколько соединенных последовательно однофазных мостовых преобразователей напряжения (без последовательного соединения полупроводниковых приборов). Переключения в трехфазной мостовой схеме, плечи которой образуют вентили с последовательно соединенными полупроводниковыми приборами, и формирующей основу выходного напряжения преобразователя, осуществляются на низкой частоте (например, равной частоте сети). Для обеспечения коммутации плеч моста, содержащих последовательно соединенные полупроводниковые приборы с разбросом временных задержек включения/выключения, в схему добавлены специальные коммутирующие цепочки. 3 н.п. ф-лы, 5 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к высоковольтным преобразователям, требующим использование последовательного соединения полупроводниковых управляемых приборов, и предназначено для устройства регулирования и компенсации реактивной мощности в энергосистемах. Такой преобразователь может быть использован также в качестве инвертора в высоковольтном частотно-регулируемом электроприводе.

Известно применение в устройствах для регулирования и компенсации реактивной мощности в энергосистемах трехуровневого широтно-импульсного преобразователя [1]. Это самое простое по конфигурации техническое решение, но для осуществления его требуются высокочастотные переключения. Для реализации такого преобразователя в классе более высоких напряжений необходимо использование последовательного соединения управляемых полупроводниковых приборов. Даже при незначительном разбросе по времени запаздывания выключения (turn off) и включения (turn on) в последовательно соединенных приборах для выравнивания напряжений требуются делящие цепи значительной мощности, потери энергии в которых многократно выше динамических потерь энергии в самом приборе. Теоретически возможно также производить подбор идентичных приборов без делящих цепей, но на практике он не реализуем. Схемы с трансформаторным сложением, когда напряжения нескольких инверторов складываются с помощью специальных промежуточных трансформаторов требуют дополнительных затрат.

Известны преобразователи для регулируемого электропривода, выполненные по комбинированной схеме [2], состоящей из трехфазного двухуровневого (формирующего два уровня напряжения: положительное и отрицательное) или трехуровневого (формирующего три уровня напряжения: положительное, отрицательное и нулевое) базового инвертора напряжения, одной или нескольких последовательно соединенных однофазных мостовых инверторных схем в каждой фазе на выходе базового инвертора и системы управления всеми инверторами широтно-импульсным способом. Этот вариант наиболее близок к настоящему изобретению. И двухуровневый и трехуровневый базовый трехфазный инвертор выполняется на уровень напряжения, в несколько раз превышающий напряжение в однофазных мостовых схемах, и формирует основу напряжения, близкую по эффективному значению, но неудовлетворительную по форме. При этом частота коммутаций трехфазного инвертора намного ниже частоты коммутаций в однофазных мостовых схемах. Однофазные мостовые инверторы формируют добавку к основе. В результате формируется суммарный сигнал нужной формы. Это хорошее техническое решение для напряжений порядка 6-7 кВ (как указано в [2]). Для реализации такого преобразователя в классе более высоких напряжений требуется использование последовательного соединения полупроводниковых приборов и в этом случае так же, как и в [1], для выравнивания напряжений требуются делящие цепи значительной мощности, потери энергии в которых многократно выше динамических потерь энергии в самом приборе.

Известно изобретение [3], дающее снижение динамических потерь транзисторов в транзисторном инверторе, выполненном по мостовой схеме, путем введения в каждое плечо дополнительной цепочки, уменьшающей скорость нарастания напряжения на каждом из транзисторов, за счет уменьшения скорости нарастания разрядного тока конденсаторов. Применение преобразователя с такими цепочками в двухуровневой трехфазной схеме возможно, но предполагает низкую частоту коммутаций и, следовательно, качество выходного напряжения преобразователя оказывается для поставленных задач неудовлетворительным. В трехфазной трехуровневой схеме предложенные цепочки не работают.

Цель настоящего изобретения заключается в повышении надежности и снижении потерь мощности при построении комбинированной схемы высоковольтного преобразователя, использующего последовательное соединение полупроводниковых управляемых приборов. Техническое решение позволяет применить последовательное соединение приборов, в которых имеется разброс по времени запаздывания выключения (turn off) и включения (turn on).

Достижение указанной цели в преобразователе напряжения, выполненном по комбинированной схеме, включающей в себя базовый трехфазный мостовой инвертор напряжения на вентилях, образованных последовательно соединенными управляемыми полупроводниковыми приборами в каждом плече моста, имеющий двух-, трех- и более многоуровневую структуру, и однофазные мостовые инверторы напряжения, подключенные к каждому фазному выходу базового инвертора по одному или несколько соединенные последовательно по переменному току в каждой фазе, обеспечивается введением в каждое плечо базового инвертора коммутирующих цепочек из последовательно соединенных конденсатора и коммутирующих диодов, а также коммутирующих реакторов, включенных последовательно с вентилем плеча соответственно со стороны плюсовой или минусовой шины базового инвертора и/или его фазного выхода, причем диоды коммутирующих цепочек подключены непосредственно к вентилю плеча согласно с ним относительно коммутирующих реакторов. Введенные в схему базового инвертора конденсаторы включены параллельно вентилям плеч и отделены от них коммутирующими диодами. Также в каждую фазу базового инвертора введены рекуперирующие блоки, осуществляющие возврат энергии коммутации в конденсаторы постоянного напряжения. Рекуперирующие блоки, выходами включенные между шинами постоянного тока базового инвертора, входами включены соответственно между плюсовой шиной, минусовой шиной или фазным выводом и точками соединения конденсаторов и диодов коммутирующих цепочек. При вышеизложенном построении схемы выбран алгоритм управления, в соответствии с которым осуществляются переключения базовой схемы на низкой частоте, сопоставимой с частотой сети, благодаря чему не требуется быстрой коммутации. Формирование отслеживаемого сигнала происходит на размещенных каскадно однофазных инверторных мостах за счет широтно-импульсной модуляции в каждой мостовой схеме и сдвига в управлении каждым из однофазных мостов, причем более высокая частота коммутации в них возможна, так как последовательного соединения полупроводниковых приборов не предполагается.

Для пояснения существа изобретения на фиг.1а представлена структурная схема преобразователя для регулирования и компенсации реактивной мощности в системах электропитания электросетей, основа выходного напряжения в котором формируется с помощью трехуровневого трехфазного мостового инвертора;

на фиг.1б приведена структурная схема фазы трехуровневого трехфазного мостового инвертора;

на фиг.1в приведена структурная схема блоков рекуперации энергии, используемых в фазах трехфазного инвертора;

на фиг.2а представлена структурная схема преобразователя, основа выходного напряжения в котором формируется с помощью двухуровневого трехфазного мостового инвертора;

на фиг.2б приведена структурная схема фазы двухуровневого трехфазного мостового инвертора;

на фиг.2в приведена структурная схема фазы двухуровневого трехфазного мостового инвертора с включением коммутирующих реакторов в средней точке фазы;

на фиг.3 приведена структура системы управления преобразователя;

на фиг.4 приведены осциллограммы напряжений на трех последовательно соединенных IGCT-тиристорах (4500 В, 4000 А) при задержке выключения двух из них на 1 мкс при наличии в схеме коммутирующих цепей; 

на фиг.5 приведены осциллограммы, поясняющие принцип работы предлагаемой схемы.

Устройство и критерии выбора типа и количества необходимых элементов заявленного технического решения в его статическом состоянии описаны по схемам фиг.1 и фиг.2.

Приводим варианты построения трехфазного инвертора по трех- и двухуровневой схеме.

1. Структура преобразователя, основа выходного напряжения в котором формируется с помощью трехуровневого трехфазного мостового инвертора, представлена на фиг.1а.

Трехуровневый трехфазный мостовой инвертор 1 состоит из трех фаз (2, 3, 4) и конденсаторной батареи (5, 6) со средней (нейтральной) точкой 7. К фазным выводам трехфазного инвертора (точки 8, 9, 10) подключаются последовательно соединенные однофазные мостовые инверторы (11(1)...11(n), 12(1)...12(n), 13(1)...13(n)). Контактные шины комбинированного преобразователя (точки А, В, С) подключается к электросети (без фильтрации или с фильтрацией - в зависимости от требований применения).

Для обеспечения коммутации вентилей 14, 15, 16, 17 (фиг.1б - фаза 2) фазы мостового инвертора 2, 3, 4 с вентилями, образованными последовательным соединением полностью управляемых полупроводниковых приборов (с обратными диодами и защитными цепями), в схему фазы инвертора включены конденсаторные батареи (на фиг.1б: 18 между точками 20 и 21; 19 между точками 22 и 23) для ограничения скорости изменения напряжения на вентилях (далее - dU/dt). Значение емкости конденсаторных батарей выбирается из расчета ограничения dU/dt на приемлемом уровне исходя из требования не превышения максимально допустимого рабочего напряжения на полупроводниковых приборах с учетом разброса их времени включения/выключения (при выключении самый "быстрый", а при включении самый "медленный" приборы при отсутствии дополнительных мер оказываются под полным напряжением). Для обеспечения коммутации вентилей без бросков тока через обратные диоды (14(1)...14(n2), 15(1)...15(n2). 16(1)...16(n2), 17(1)...17(n2)) и шунтирующие (24, 25) диоды, для уменьшения уровня перенапряжения на вентилях из-за индуктивности монтажа фильтрующих конденсаторных батарей постоянного напряжения (на фиг.1а: 5 и 6), а также для ограничения тока короткого замыкания при пробоях в схему фазы инвертора включены коммутирующие реакторы (фиг.1б: 26 между точками 28 и 29; 27 между точками 30 и 8; 31 между точками 8 и 32; 33 между точками 34 и 35), ограничивающие скорость изменения тока (di/dt) через вентили. Значение индуктивности коммутирующих реакторов выбирается из расчета ограничения di/dt на приемлемом уровне, исходя из требования не превышения максимально допустимого повторяющегося тока через полупроводниковые приборы. Для вывода энергии реактора после коммутации вентиля в схему включены коммутирующие диоды (на фиг.1б: 36 между точками 20 и 29; 37 между точками 21 и 27; 38 между точками 22 и 33; 39 между точками 23 и 34) и рекуперирующие преобразователи (на фиг.1б: 40 между точками 29 и 20, 41 между точками 21 и 22 и 42 между точками 23 и 35), осуществляющие возврат энергии коммутации обратно в конденсаторы постоянного напряжения 5 и 6 (за исключением потерь в самих преобразователях).

2. Структура преобразователя, основа выходного напряжения в котором формируется с помощью двухуровневого трехфазного мостового инвертора, представлена на фиг.2а

Двухуровневый трехфазный мостовой инвертор 1 состоит из трех фаз (2, 3, 4) и конденсаторной батареи 43. К фазным выводам трехфазного инвертора (точки 8, 9, 10) подключаются последовательно соединенные однофазные мостовые инверторы 12(1)...12(n), 13(1)...13(n), 14(1)...14(n)). Контактные шины комбинированного преобразователя (точки А, В, С) подключаются к электросети (без фильтрации или с фильтрацией - в зависимости от требований применения). 

Для обеспечения коммутации вентилей 44, 45 (фиг.2б) фазы мостового инвертора 2, 3, 4 с вентилями, образованными последовательным соединением полностью управляемых полупроводниковых приборов (с обратными диодами и защитными цепями), в схему фазы инвертора включены конденсаторные батареи (на фиг.2а: 46 между точками 48 и 8; 47 между точками 8 и 49) для ограничения dU/dt на вентилях. Значение емкости конденсаторных батарей выбирается из расчета ограничения dU/dt на приемлемом уровне исходя из требования не превышения максимально допустимого рабочего напряжения на полупроводниковых приборах с учетом разброса их времени включения/выключения.

Для обеспечения коммутации вентилей без бросков тока через обратные (44(1)...44(n3), 45(1)...45(n3),) диоды, для уменьшения уровня перенапряжения на вентилях из-за индуктивности монтажа фильтрующей конденсаторной батареи постоянного напряжения (на фиг.2а: 43), а также для ограничения тока короткого замыкания при пробоях в схему фазы инвертора включены коммутирующие реакторы (на фиг.2б: 50 между точками 29 и 51; 53 между точками 52 и 35), ограничивающие скорость изменения тока (di/dt) через вентили. Значение индуктивности коммутирующих реакторов выбирается из расчета ограничения di/dt на приемлемом уровне, исходя из требования не превышения максимально допустимого повторяющегося тока через полупроводниковые приборы. Для вывода энергии реактора после коммутации вентиля в схему включены коммутирующие диоды (на фиг.2б: 54 между точками 48 и 51; 55 между точками 52 и 49) и рекуперирующие преобразователи (на фиг.2б: 56 между точками 29 и 48, 57 между точками 49 и 35), осуществляющие возврат энергии коммутации обратно в конденсаторную батарею постоянного напряжения 43 (за исключением потерь в самих преобразователях).

По аналогии с [3], коммутирующие реакторы могут быть включены и в средней точке фазы (фиг.2в). 

Принцип работы предлагаемого преобразователя поясним на примере варианта его исполнения с трехфазным мостовым трехуровневым инвертором в качестве базового инвертора.

Система управления (фиг.3) с помощью блоков ШИМ-модулятора формирует в заданной последовательности импульсы управления вентилями всех инверторов. При этом трехуровневый трехфазный мостовой инвертор формирует между средней точкой 7 и фазными выводами трехфазного инвертора (точки 8, 9, 10) один из трех уровней напряжения (положительное, отрицательное и ноль) (U3 на фиг.5). Переключения вентилей осуществляются системой управления в соответствии с принятым алгоритмом. Система управления имеет несколько контуров регулирования, среди которых можно выделить два глобальных контура:

- по амплитудному значению тока через реактор выходного фильтра (сигнал i на фиг.3); 

- по амплитудному значению напряжения с выхода (трансформатор напряжения на шинах подключения конденсаторов выходного фильтра) - (сигнал и на фиг.3).

Помимо этого, для отработки быстрых процессов организованы локальные контуры регулирования по мгновенным значениям тока и напряжения с выходного фильтра, а также несколько локальных контуров регулирования по току и напряжению с конденсаторов постоянного напряжения базового инвертора и однофазных мостов каскадного инвертора.

В целом система управления построена по принципу поддержания заданного значения (REFO на фиг.5) отслеживаемого ею выходного сигнала. Базовый трехфазный мостовой инвертор формирует основу (U3 на фиг.5) выходного напряжения преобразователя с низкой частотой переключения (S1 3...S123 a, b, c) на фиг.3). Разница между заданием и основой U3 формируется однофазными мостовыми инверторами посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Управление каждым из однофазных мостовых инверторов ((S10...S40 a, b, c), (S11...S4l a, b, c), (S12...S4 2 a, b, c) на фиг.3) осуществляется с фазовым сдвигом относительно друг друга, за счет чего увеличивается результирующая частота пульсаций выходного напряжения.

В схему включены рекуперирующие преобразователи, осуществляющие возврат энергии коммутации в конденсаторную батарею постоянного напряжения 5, 6 (за исключением потерь в самих преобразователях). Работу одного из возможных вариантов рекуперирующего преобразователя поясняет фиг.1в. При выключении управления вентиля (например 14) энергия коммутирующего реактора (например 26) через коммутирующие диоды (например 36) заряжает конденсатор 58. В среднем постоянное напряжение конденсатора 58 преобразуется инвертором 59 в переменное напряжение повышенной частоты. Трансформатор 60 повышает его до уровня напряжения на конденсаторной батарее 5, 6 звена постоянного тока и далее после выпрямления выпрямителем 61 напряжение подается на конденсаторную батарею. Таким образом реактивная энергия коммутации из реактора возвращается в накопительную конденсаторную батарею.

В общем случае при регулировании трехфазного трехуровневого инвертора (включая возможность нескольких переключений одного и того же вентиля за полупериод) в зависимости от знака формируемых на выходе напряжений возможны следующие виды коммутации:

U>0, i>0 (где U - напряжение фазы инвертора, i - ток фазы инвертора): от транзисторов вентиля 14 к диодам 24 и обратно при включенных транзисторах 15;

U<0, i<0: от транзисторов вентиля 17 к диодам 25 и обратно при включенных транзисторах 16 (коммутационные процессы протекают аналогично предыдущему пункту в силу симметрии схемы);

U>0, i<0: от обратных диодов вентилей 14 и 15 к транзисторам 16 и диодам 25 и обратно.

U<0, i>0: от обратных диодов вентилей 16 и 17 к транзисторам 15 и диодам 24 и обратно(при коммутации процессы протекают аналогично предыдущему пункту в силу симметрии схемы);

Таким образом из представленных восьми типов коммутации (включая обратные коммутации) принципиально можно выделить четыре типа:

1) от наружного (верхнего) управляемого вентиля к шунтирующему диоду того же плеча инвертора;

2) наоборот, от шунтирующего диода к управляемому вентилю;

3) от обратных диодов вентилей одного плеча к внутреннему управляемому вентилю и шунтирующему диоду другого плеча той же фазы;

4) наоборот, от управляемого вентиля и шунтирующего диода к обратным диодам.

Рассмотрим процессы, протекающие при различных типах коммутации при наличии в схеме коммутирующих цепей,

1) Коммутация первого типа, например, при коммутации тока от управляемого вентиля 14 к шунтирующему диоду 24 осуществляется в два этапа.

В предкоммутационном состоянии ток проводят коммутирующий реактор 26, управляемые вентили 14, 15, реактор 27. Конденсатор 18 разряжен, а конденсатор 19 заряжен до уровня напряжения в звене постоянного тока Ud - напряжения между шинами постоянного тока 29 и 35 (с точностью до напряжений в блоках рекуперации энергии).

Коммутация начинается запиранием управляемого вентиля 14. Отпираются коммутирующие диоды 36 и 37 и происходит плавный перезаряд конденсаторов 18 и 19, при этом конденсатор 18 заряжается по цепи 26-36-18-37-27- (другая фаза)-(звено постоянного тока 6-5)-26, а конденсатор 19 перезаряжается по цепи 42-19-40-37-27-(другая фаза)-(звено постоянного тока 5-6)-42. По окончании первого этапа коммутации конденсаторы 18 и 19 перезаряжаются до одинакового уровня напряжения, равного половине от Ud (с точностью до напряжений 40...42) и отпирается шунтирующий диод 24.

На втором этапе коммутации ток через шунтирующий диод плавно нарастает, а ток через реактор 26 и диод 36 плавно спадает, вызывая дальнейший перезаряд конденсаторов 18 и 19 (на величину, соответствующую напряжениям на 40...42). При достижении током через реактор 26 и диоды 36 нулевого значения, диоды 36 запираются, а процесс коммутации заканчивается.

2) Коммутация второго типа, например, при коммутации тока от шунтирующего диода 24 к управляемому вентилю 14 осуществляется в три этапа.

В предкоммутационном состоянии ток проводят шунтирующие диоды 24, управляемый вентиль 15, реактор 27. Конденсаторы 18 и 19 заряжены до одинакового уровня напряжения (с точностью до напряжений в блоках рекуперации энергии 40...42).

Коммутация начинается отпиранием управляемого вентиля 14. Ток через шунтирующие диоды 24 плавно спадает, а через 14 нарастает со скоростью, ограниченной индуктивностью коммутирующих реакторов 26 и 27. Первый этап коммутации заканчивается, когда ток через диоды 24 спадает до нуля.

На втором этапе коммутации происходит перезаряд конденсаторных батарей 18 и 19 (18 разряжается до нуля по контуру цепи 18-40-26-14-15-27-31-38-41-18, а 19 заряжается до полного напряжения в звене постоянного тока по контуру 19-42-(звено постоянного тока 6-5)-26-14-15-27-31-38-19). Второй этап заканчивается, когда напряжение на 18 становится равным нулю.

На третьем этапе открываются коммутирующие диоды 36, 37 и «лишний» ток, возникающий в 26, 27, 31 из-за перезаряда 18, 19, спадает до номинального значения через блоки рекуперации 40 и 41 соответственно, после чего коммутирующие диоды запираются и коммутация заканчивается.

3) Рассмотрим процессы при коммутации третьего типа, например от обратных диодов вентилей 14, 15 к управляемому вентилю 16 и шунтирующему диоду 25. Коммутация третьего типа осуществляется в два этапа.

В предкоммутационном состоянии ток проводят реактор 27, обратные диоды вентилей 14, 15, реактор 26. Конденсаторная батарея 18 разряжена до нуля, а 19 заряжена до полного напряжения Ud (с точностью до напряжений в блоках рекуперации энергии 40...42).

Коммутация начинается отпиранием вентиля 16: ток через него начинает плавно нарастать, а через диоды 14, 15 плавно спадать. Одновременно происходит плавный перезаряд конденсаторных батарей 18, 19: 18 заряжается по цепи 18-37-27-(другая фаза)-(звено постоянного тока 6-5)-26-36-18, а 19 разряжается по цепи 19-41-37-27-(другая фаза)-(звено постоянного тока 5-6)-42-19. По окончании первого этапа коммутации конденсаторы 18 и 19 перезаряжаются до одинакового уровня напряжения, равного половине Ud (с точностью до напряжений в блоках рекуперации энергии 40...42). Основной ток (нагрузки) протекает по цепи 31-16-25, к которому прибавляется ток перезаряда 18, 19.

На втором этапе коммутации открывается коммутирующий диод 38 и сверхтоки через реакторы 26, 27, 31, вызванные перезарядом 18, 19, спадают через блоки рекуперации 40, 41 соответственно. По окончании второго этапа токи через реакторы 26 и 27 становятся равными нулю, а через 31 - номинальным, коммутирующие диоды 36...38 запираются и коммутация заканчивается.

4) Рассмотрим процессы при коммутации четвертого типа, например, от управляемого вентиля 16 и шунтирующего диода к обратным диодам вентилей 14, 15. Коммутация четвертого типа осуществляется в два этапа.

В предкоммутационном состоянии ток проводят реактор 31, управляемый вентиль 16 и шунтирующие диоды 25. Конденсаторные батареи 18, 19 заряжены до одинакового уровня напряжения, равного половине от Ud (с точностью до напряжений в блоках рекуперации энергии 40...42).

Коммутация начинается запиранием управляемого вентиля 16. Протекание тока через 16 и 25 прекращается; отпирается коммутирующий диод 38 и начинается плавный перезаряд конденсаторных батарей 18 и 19: 18 разряжается по цепи 18-40-(звено постоянного тока 5-6)-(нагрузка)-31-38-41-18, а 19 заряжается по цепи 19-42-(звено постоянного тока 6-5)-(нагрузка)-31-38-19. Первый этап заканчивается, когда напряжение на 18 становится равным нулю, а 19 - равным половине напряжения Ud.

На втором этапе коммутации отпираются обратные диоды 14, 15, через которые начинает протекать ток нагрузки. Одновременно с диодами 14, 15 открываются коммутирующие диоды 36, 37; через 37 плавно спадает ток реактора 31 (по цепи 31-38-41-37-27-31), вызванный перезарядом 18, 19, а через 36 протекает разностный ток вентилей 14, 15 и плавно нарастает ток реактора 26. По окончании второго этапа ток через 31 становится равным нулю, через 26 - номинальным, коммутирующие диоды 36...38 запираются и коммутация заканчивается. Ток нагрузки по окончании коммутации протекает по цепи 27-15-14-26-(звено постоянного тока 5-6)-(нагрузка)-27.

Во всех четырех типах коммутаций скорость изменения напряжения на конденсаторных батареях 18, 19 определяется величиной их емкости и значением тока нагрузки. Скорость изменения напряжения на вентилях 14...17 при их запирании равна скорости изменения напряжения на конденсаторах 18, 19. Таким образом, в ситуации, когда один из последовательно соединенных полупроводниковых приборов вентиля запирается раньше других (в силу имеющихся разбросов задержек выключения самих приборов и каналов управления), напряжение на ней нарастает плавно и к моменту отпирания остальных приборов не превышает максимально допустимого значения. Дополнительный эффект заключается в снижении динамических потерь в полупроводниковых приборах.

В качестве примера работы заявляемой коммутирующей цепочки на фиг.4 приведены осциллограммы напряжений на трех последовательно соединенных IGCT-тиристорах (4500 В, 4000 А) при задержке выключения двух из них на 1 мкс. Разброс напряжений на приборах в закрытом состоянии составил при этом около 600 В, что является приемлемым с учетом рекомендуемых производителями полупроводниковых приборов запасов по напряжению. 

Осциллограммы, изображенные на фиг.5, поясняют работу преобразователя в целом. Базовый трехфазный мостовой инвертор формирует основу U3 выходного напряжения преобразователя с низкой частотой переключения (в примере это частота сети - 50 Гц). Оставшаяся разница напряжений формируется однофазными мостовыми инверторами. Управление каждым из однофазных мостовых инверторов осуществляется с фазовым сдвигом относительно друг друга, за счет чего увеличивается результирующая частота пульсаций выходного напряжения. В примере частота переключения силовых ключей в каждом из мостов составляет 267 Гц, а результирующая частота модуляции 800 Гц.

На фиг.5 приняты следующие обозначения:

REF0 - сигнал задания,

US - напряжение фазы трехуровневого трехфазного мостового инвертора,

V3 - задание для последовательно соединенных мостовых инверторов фазы, равное разности задания на фазу и напряжения на фазе трехфазного инвертора,

U3 - результирующее напряжение преобразователя.

Источники информации

1. STATCOM Based on Multimodules of Multilevel Converters Under Multiple Regulation Feedback Control Yiqiang Chen and Boon-Teck OoiDEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL.14, №5, SEPTEMBER 1999. 

2. Патент США US 6621719 B2 (Sep.16, 2003) Converter with additional voltage addition or subtraction at the output STEIMER PETER (CH); VEENSTRA MARTIN (CH).

3. Мустафа Г.М., Барегамян Г В., Рудицкий Р.Ш., Курпина Е.В.: Снижение динамических потерь транзисторов инвертора путем изменения скорости нарастания тока конденсаторов. Авторское свидетельство №989711 (15.01.83), УДК 621.314.57 (088.8).




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Преобразователь напряжения, выполненный по комбинированной схеме, включающей в себя базовый мостовой многоуровневый (по меньшей мере трехуровневый) трехфазный инвертор напряжения на вентилях, образованных последовательным соединением полностью управляемых полупроводниковых приборов в плечах моста, включенных соответственно между плюсовой или минусовой шиной постоянного тока и соответствующим фазным выводом, а также один или несколько последовательно соединенных по переменному току однофазных мостовых инверторов, включенных в каждую фазу на выходе базового инвертора, отличающийся тем, что в каждое плечо базового инвертора введены цепочка из последовательно соединенных конденсатора, первого коммутирующего диода, подключенного к первой обкладке конденсатора, и второго коммутирующего диода, подключенного к второй обкладке конденсатора, и два коммутирующих реактора, причем указанная цепочка подключена параллельно вентилю плеча так, что первый коммутирующий диод соединен с вентилем со стороны шины постоянного тока, один коммутирующий реактор включен между соответствующей шиной постоянного тока и точкой соединения первого коммутирующего диода и вентиля плеча, а второй коммутирующий реактор - между точкой соединения второго коммутирующего диода с вентилем плеча и соответствующим фазным выводом, при этом коммутирующие диоды соединены с вентилями плеча одноименными электродами; в каждую фазу инвертора введены три рекуперирующих блока, два из которых входами включены каждый между соответствующей шиной постоянного тока и точкой соединения конденсатора и первого коммутирующего диода, при этом вход третьего рекуперирующего блока включен между точками соединения конденсаторов соседних плеч фазы со вторыми коммутирующими диодами, а выходы всех рекуперирующих блоков фазы включены между шинами постоянного тока базового инвертора.

2. Преобразователь напряжения, выполненный по комбинированной схеме, включающей в себя базовый мостовой двухуровневый трехфазный инвертор напряжения на вентилях, образованных последовательным соединением полностью управляемых полупроводниковых приборов в плечах моста, включенных соответственно между плюсовой или минусовой шиной постоянного тока и соответствующим фазным выводом, а также один или несколько последовательно соединенных по переменному току однофазных мостовых инверторов, включенных в каждую фазу на выходе базового инвертора, отличающийся тем, что в каждое плечо базового инвертора введены цепочка из последовательно соединенных конденсатора и коммутирующего диода, коммутирующий реактор и рекуперирующий блок, причем указанная цепочка подключена параллельно вентилю плеча так, что коммутирующий диод соединен с вентилем одноименным электродом со стороны шины постоянного тока, а коммутирующий реактор включен между точкой соединения коммутирующего диода с вентилем и этой шиной постоянного тока; при этом рекуперирующий блок входом включен между соответствующей шиной постоянного тока и точкой соединения коммутирующего диода и конденсатора, а выходом подключен к шинам постоянного тока базового инвертора.

3. Преобразователь напряжения, выполненный по комбинированной схеме, включающей в себя базовый мостовой двухуровневый трехфазный инвертор напряжения на вентилях, образованных последовательным соединением полностью управляемых полупроводниковых приборов в плечах моста, включенных соответственно между плюсовой или минусовой шиной постоянного тока и соответствующим фазным выводом, а также один или несколько последовательно соединенных по переменному току однофазных мостовых инверторов, включенных в каждую фазу на выходе базового инвертора, отличающийся тем, что в каждое плечо базового инвертора введены цепочка из последовательно соединенных конденсатора и коммутирующего диода, коммутирующий дроссель и рекуперирующий блок, причем указанная цепочка подключена параллельно цепочке вентилей плеча так, что коммутирующий диод соединен с вентилем одноименным электродом со стороны соответствующего фазного вывода, коммутирующий дроссель включен между этим фазным выводом и точкой соединения коммутирующего диода и вентиля, а рекуперирующий блок входом включен между указанным фазным выводом и точкой соединения конденсатора и коммутирующего диода, а выходом подключен к шинам постоянного тока базового инвертора.





ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru