ВЕНТИЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК H02M5/40 

Область техники
Изобретение относится к области силовой электроники. Оно относится к вентильному преобразователю напряжения с промежуточным контуром по напряжению и следующим за промежуточным контуром по напряжению инвертором, который на своих выходах формирует трехфазное переменное напряжение и через соответствующее фильтрующее устройство соединен с выходными клеммами вентильного напряжения, при этом фильтрующее устройство содержит включенный последовательно с выходной клеммой дроссель фильтра и конденсатор фильтра, ведущий от выходной клеммы к нейтральной точке конденсаторов.

Такой вентильный преобразователь напряжения известен, например, из публикации ЕР-А1-0682401 (фиг.1).

Предшествующий уровень техники
Для принципиально свободной от потерь фильтрации выходного напряжения преобразователя с промежуточным контуром по напряжению (вентильного преобразователя напряжения) в настоящее время применяют фильтр, состоящий из дросселей фильтра и конденсаторов фильтра (LC-фильтр). Возможный вариант выполнения предусматривает использование соединенных в звезду конденсаторов фильтра, как это описано в указанной выше публикации и изображено на фиг.1. При этом вентильный преобразователь напряжения 39 по фиг.1 содержит промежуточный контур 11 по напряжению с двумя клеммами 12 и 13, между которыми включены конденсаторы 14, 16 промежуточного контура, которые имеют отвод от средней точки или же могут быть выполнены как один конденсатор. За промежуточным контуром 11 по напряжению следует инвертор 10 (выполненный на мощных полупроводниковых приборах), который выдает на соответствующие клеммы 10, 21 и 22 создаваемое переменное напряжение через фильтр, образованный из дросселей 17, 18 и 19 фильтра, а также конденсаторов 23, 24 и 25 фильтра. Дроссели 17-19 фильтра включены последовательно с соответствующими выходными клеммами 20-22. Конденсаторы 23-25 фильтры включены между выходными клеммами 20-22 и нейтральной точкой 26 конденсаторов.

В другой известной схеме фильтра, которая показана на фиг.2, конденсаторы 27, 28, 29 фильтра включены по схеме треугольника, т.е. между каждыми двумя соответствующими выходными клеммами 20-22.

В другой схеме фильтра, показанной на фиг.3, которая также известна из указанной выше публикации (фиг.3), по три конденсатора 30-32 и 33-35 включены между выходными клеммами 20-22 и соответствующей клеммой 12 и 13 промежуточного контура 11 по напряжению.

Схемы по фиг.1 и 2 предназначены для фильтрации только систем трехфазного напряжения. Однако система постоянного тока не фильтруется. Скачки напряжения в системе постоянного тока беспрепятственно проходят на клеммы 20-22 подключения нагрузки, если нейтральная точка нагрузки или, согласно фиг.1, нейтральная точка 26 конденсаторов не заземлена. Однако эти меры нельзя использовать универсально.

Схема по фиг. 3 не имеет этих недостатков. Ее недостаток носит системно-технический характер и проявляется тогда, когда условия использования фильтра таковы, что в нем без дополнительных мер постоянно возбуждаются собственные колебания. Эти собственные колебания можно демпфировать без потерь только посредством регулирования, которое влияет на последовательность коммутационных операций инвертора 10. Последовательность коммутационных операций инвертора 10 определяется в настоящее время обычно регулирующим вычислительным устройством, которое на основании условий нагрузки определяет команды на переключение силовых выключателей в инверторе. Регулирующее вычислительное устройство работает обычно, ввиду симметрии выходов, только по двум координатам. Отсюда можно определить коммутационное положение трех фаз. В схеме, показанной на фиг.3, три фазы по отношению к фильтру развязаны. Поэтому регулирование резонанса должно выполняться с тремя независимо действующими цепями регулирования. Таким образом, регулирование резонанса непросто интегрировать в регулирование нагрузки. Так как обе процедуры регулирования воздействуют на одну и ту же регулируемую величину, то они не могут работать с развязкой. Решение этого противоречия в любом случае требует значительных дополнительных затрат. Другой недостаток схемы по фиг.3 заключается в высокой дополнительной токовой нагрузке конденсаторов промежуточного контура и инвертора, которая возникает, в частности, при низких частотах коммутации полупроводниковых переключателей инвертора из перезарядки конденсаторов фильтра системой постоянного напряжения. Те же недостатки возникают также в тех случаях, если в схеме по фиг.1 нейтральную точку 26 конденсаторов соединить с одной из клемм 12, 13 или средним отводом 15.

Сущность изобретения
Задачей изобретения является создание вентильного преобразователя напряжения указанного выше вида таким образом, чтобы без больших дополнительных затрат реализовать эффективную фильтрацию также системы постоянного тока.

Эта задача решается в вентильном преобразователе напряжения указанного выше вида тем, что нейтральная точка конденсаторов через резистивно-емкостное (RC) звено, содержащее конденсатор и сопротивление, соединено с промежуточным контуром по напряжению. Конденсатор RC-звена устраняет стационарные токи, протекающие через сопротивление RC-звена. Сопротивление RC-звена служит в качестве демпфирующего сопротивления и обеспечивает демпфирование колебаний.

Предпочтительный вариант выполнения схемы согласно изобретению отличается тем, что емкость конденсатора на много меньше емкости конденсаторов фильтра. За счет этого не оказывается влияние на регулирование резонанса главного фильтра с дросселями фильтра и конденсаторами фильтра. Однако крутизна скачков напряжения в системе постоянного тока эффективно ограничивается. За счет подходящего выбора параметров одновременно эффективно демпфируется резонанс без возникновения неприемлемо высоких потерь.

Другие варианты выполнения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.

Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется ниже на примерах выполнения с помощью чертежей, на которых изображено следующее:
фиг.1-3 - различные схемы фильтра для вентильного преобразователя напряжения согласно предшествующему уровню техники; и
фиг. 3-6 - различные примеры выполнения схемы фильтра согласно изобретению, при этом нейтральная точка через RC-звено соединена с различными точками промежуточного контура по напряжению.

Варианты осуществления изобретения
Исходя из схемы, показанной на фиг.1 и относящейся к предшествующему уровню техники, нейтральную точку 26 конденсаторов через RC-звено, состоящее из конденсатора и сопротивления, соединяют с промежуточным контуром 11 по напряжению (обратная связь). Хотя за счет этого скачки постоянной составляющей устраняются не полностью, однако ограничиваются до допустимой величины (например, 500 В/мкс). При этом соединение согласно примерам выполнения по фиг.4-6 можно производить в различных точках. Согласно фиг.4, нейтральная точка 26 конденсаторов через RC-звено 38, состоящее из конденсатора 36 и сопротивления 37, соединена с клеммой 12 (положительной клеммой) промежуточного контура 11 по напряжению. Согласно фиг.6, нейтральная точка 26 конденсаторов через RC-звено 38, состоящее из конденсатора 36 и сопротивления 37, соединена с клеммой 13 (отрицательной клеммой) промежуточного контура 11 по напряжению. Согласно фиг.5 используют средний вывод 15 конденсаторов 14, 16, если он имеется, в качестве точки подключения RC-звена 38.

Для вентильного преобразователя 1 МВА/4 кВ по схеме треугольника с частотой коммутации 500 Гц со схемой фильтра согласно изобретению было осуществлено моделирование. При емкости конденсатора 36, равной 82,9 нФ, и сопротивлении 37, равном 603 Ом, были получены потери в 341 Вт и крутизна du/dt в системе постоянного тока, равная 495 В/мкс.

Вентильный преобразователь напряжения, содержащий промежуточный контур по напряжению и подключенный к промежуточному контуру по напряжению инвертор, который на своих выходах выдает трехфазное переменное напряжение и через фильтрующие устройства соединен с выходными клеммами вентильного преобразователя напряжения, при этом каждое фильтрующее устройство содержит включенный последовательно с выходной клеммой дроссель и конденсатор, включенный между выходной клеммой и нейтральной точкой конденсаторов. Эффективное демпфирование постоянного тока достигается тем, что нейтральная точка конденсаторов через резистивно-емкостное звено, содержащее конденсатор и сопротивление, соединена с промежуточным контуром по напряжению. Технический результат - эффективная фильтрация. 4 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Вентильный преобразователь (39) напряжения, содержащий промежуточный контур (11) по напряжению и следующий за промежуточным контуром (11) по напряжению инвертор (10), который на своих выводах выдает трехфазное переменное напряжение и через фильтрующие устройства (17,...,19; 23,...,25) соединен с выходными клеммами (20,...,22) вентильного преобразователя (39) напряжения, при этом каждое фильтрующее устройство содержит включенный последовательно с выходной клеммой (20,...,22) дроссель (17,...,19) и включенный между выходной клеммой (20, . ..,22) и общей нейтральной точкой (26) конденсатор (23,...,25), отличающийся тем, что нейтральная точка (26) конденсаторов через резистивно-емкостное звено (38), содержащее конденсатор (36) и сопротивление (37), соединена с промежуточным контуром (11) по напряжению. 2. Вентильный преобразователь напряжения по п.1, отличающийся тем, что емкость конденсатора (36) резистивно-емкостного звена на много меньше емкости конденсаторов (23,...,25) фильтрующего устройства. 3. Вентильный преобразователь напряжения по п.1 или 2, отличающийся тем, что нейтральная точка (26) конденсаторов фильтрующего устройства через резистивно-емкостное звено (38) соединена с положительной клеммой (12) промежуточного контура (11) по напряжению. 4. Вентильный преобразователь напряжения по п.1 или 2, отличающийся тем, что нейтральная точка (26) конденсаторов фильтрующего устройства через резистивно-емкостное звено (38) соединена с отрицательной клеммой (13) промежуточного контура (11) по напряжению. 5. Вентильный преобразователь напряжения по п.1 или 2, отличающийся тем, что промежуточный контур (11) по напряжению содержит два конденсатора (14, 16) и выполнен со средним выводом (15), при этом нейтральная точка (26) конденсаторов фильтрующего устройства через резистивно-емкостное звено (36, 37, 38) соединена со средним выводом (15) конденсаторов (14, 16) промежуточного контура (11).