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.